Содержание
После «кислородной революции» содержание кислорода в атмосфере не оставалось стабильным
Наука
close
100%
Резкий рост количества кислорода в атмосфере Земли, который создал предпосылки для возникновения современных форм жизни, произошел не во время «кислородной революции», случившейся 2,4 млрд лет назад, а несколько позже.
Венера дала газу
Зонд «Венера-Экспресс» подкинул астрономам новых загадок. Почему атмосфера Венеры не просто вращается с…
20 июня 14:53
Недавние исследования датских ученых показали, что кислород начал образовываться в атмосфере Земли еще раньше, чем считалось до этого, — более 3 млрд лет назад. Тем не менее его содержание в атмосфере оставалось незначительным вплоть до события, известного как кислородная катастрофа, или кислородная революция. Таким термином называют глобальное изменение состава атмосферы Земли, происшедшее в самом начале протерозоя (2,3–2,4 млрд лет назад).
Результатом этого события стало появление в составе атмосферы свободного кислорода и изменение общего характера атмосферы с окислительного на восстановительный.
Как следствие, после «кислородной катастрофы» произошло формирование озонового слоя, резко уменьшился парниковый эффект. Планета вступила в эпоху гуронского оледенения. Границы биосферы постепенно расширялись, развивались организмы, обладавшие кислородным дыханием.
Весь прогресс из угля
Как возникли залежи каменного угля, обеспечившие весь научно-технический прогресс человека, в чем…
01 марта 13:42
Ученые называют разные причины «кислородной революции». Некоторые считают, что она стала прямым последствием эволюции цианобактерий (бактерии, способные к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода), другие полагают, что причины повышения содержания кислорода в атмосфере кроются в изменении окислительно-восстановительного баланса поверхности планеты. Но в любом случае кислородная катастрофа сопровождалась резким увеличением количества тяжелых изотопов углерода (известно как Ломагунди-Ятулийское изотопное событие).
На первый взгляд причиной аномалии должно было служить повышение содержания органического углерода в осадочных породах, однако масштабы Ломагунди-Ятулийского изотопного события были таковы, что ученые предлагают другую причину его происхождения. Они считают, что аномалия могла быть вызвана усилением окислительного выветривания, сопровождаемого увеличением содержания кислорода в атмосфере, а также поступлением в океан большого количества фосфора. Именно это и послужило толчком к накоплению органического углерода, который, в свою очередь, дал толчок к еще большему производству кислорода — «кислородной революции».
Жизнь под водой, грязью и без кислорода
Ученые нашли жизнь в толще базальта морского дна: бактерии извлекают химическую энергию из водорода и никогда…
15 марта 13:36
Считается, что после «кислородной революции» количество кислорода только увеличивалось — незначительное падение произошло только в последние 0,5 млн лет, когда его объем в атмосфере 2 стабилизировался.
Однако, изучив другие факторы (концентрация урана в сланцевой глине, количество сульфатов в морской воде), исследователи предположили:
содержание кислорода в атмосфере вновь упало после окончания периода Ломагунди-Ятулийской аномалии.
Группа ученых из Дании, Франции и Швейцарии под руководством Дональда Кэнфилда (Университет Южной Дании) провела исследования, направленные на выяснение того, действительно ли уровень кислорода значительно изменялся и после «кислородной революции». С результатами работы можно ознакомиться в журнале PNAS.
Самая древняя бактерия окаменела без кислорода
3,4 миллиарда лет назад, когда на Земле не было кислорода, на планете уже существовала жизнь. Найденные в…
23 августа 11:11
Дональд Кэнфилд изучил отложения горных пород бассейна Франсевийян, находящегося на территории Республики Габон. Площадь бассейна составляет около 35 тыс. кв. км, толщина породы — от 1 до 2,5 км. Основные породы бассейна — это песчаник, черный сланец, алевролит, строматолиты.
Ученые брали образцы пород, залегавших на разной глубине, и подвергали их всестороннему геохимическому анализу, чтобы понять химический состав морской воды во время и после Ломагунди-Ятулийской аномалии.
Анализ породы включал в себя определение концентрации таких элементов, как железо, марганец, сера, алюминий, органический углерод, а также урана, молибдена, ванадия и других.
Результаты изучения пород бассейна Франсевийян показали: действительно,
после «кислородной революции» наша планета испытала еще два периода, во время которых количество кислорода в атмосфере значительно падало и достигало концентрации еще более низкой, чем до нее. Каждый из таких периодов длился не более 200 млн лет.
На настоящий момент ученые затрудняются объяснить причины этих явлений.
Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Новости
Дзен
Telegram
Картина дня
Военная операция РФ на Украине.
День 311-й
Онлайн-трансляция специальной военной операции ВС РФ на Украине — 311-й день
«Цена предательства — тысячи жизней». Что скрывали европейские политики за Минскими соглашениями
Сенатор Клишас обвинил европейских политиков во лжи при словах о важности Минских соглашений
«Используем опыт Израиля». Какой смысл в массированных ракетных ударах по Украине
Военный аналитик Кнутов: ВС РФ используют новую тактику на Украине, применяя опыт Израиля
Путин: главное сейчас — судьба России
«Военное дело»: бойцы ЧВК «Вагнер» зашли в Артемовск, прорвав оборону ВСУ
Воздушная тревога объявлена по всей территории Украины
Медведев: 2022 год прошел под девизом «Своих не бросаем»
Новости и материалы
Иран провел масштабные военные учения в Оманском заливе
Причиной возгорания концепта AIAT С-Mute на автошоу в Гуанчжоу стало короткое замыкание
ВС РФ нанесли удар по базе ВСУ в Черниговской области
Энергетик Белогорьев усомнился в готовности ЕС ввести эмбарго на нефтепродукты из РФ
Песков: свое новогоднее поздравление Путин записал в штабе ЮВО
Путин: Запад врал о мире, а готовился к агрессии
Футболист шведского клуба приговорен к 2 годам лишения свободы за изнасилование 16-летней
Нарколог Василий Шуров посоветовал пить кефир вместо алкоголя
Путин назвал 2022-й годом судьбоносных решений
Путин поручил создать комиссию по развитию беспилотных авиационных систем в России
Путин выступил с новогодним обращением к россиянам в окружении военных
Кавер новогодней песни группы «Стекловата» от мексиканцев стал хитом
«Индекс кофе с бутербродом» упал до 99,5 пункта во второй половине декабря
Экс-футболист Зеедорф: в «МЮ» Роналду мог занять позицию, отличную от жертвы
Глава Одесской области заявил об ограничениях подачи электричества из-за угрозы ударов
Кремль: Путин поручил утвердить стратегию в сфере беспилотной авиации в России
Ватикан: похороны папы Римского на покое Бенедикта XVI состоятся 5 января
Глава Минюста Венгрии допустила, что Европарламенту требуется обновление
Все новости
«Наша Победа, как и Новый год, неотвратима!» — Шойгу поздравил военнослужащих
Глава Минобороны РФ Шойгу заявил о неотвратимости победы российских военных в спецоперации
Что случилось с российским авторынком в этом году
Эксперт Бургазлиев: авторынок России возвратился на 30 лет назад
«В чудеса теперь не верю»: Дайнеко и другие звезды о том, как узнали, что Деда Мороза не существует
7 российских звезд рассказали о том, как узнали всю правду про Деда Мороза
Покупка Twitter и провал «Россграма»: что обсуждали в интернете в 2022 году
Семь главных событий из мира технологий в 2022 году
Отравление консервами, алкоголем и набор веса.
Как сохранить здоровье после новогоднего застолья
Диетолог Белова объяснила, почему новогоднюю еду лучше запивать водой
Незыблемые традиции русской ментальности: как праздновали Новый год в России во время войн
Историки рассказали, почему в России праздновали Новый год даже во время военных действий
Наведение мостов, гитлерюгенд, секс-скандалы. Чем запомнится Папа Бенедикт XVI
«Будущее Украины зависит от ее народа». В постпредстве России в ООН назвали цели спецоперации
Зампостпреда России в ООН Полянский: Москва не хочет уничтожать государственность Украины
«Слышали взрывы». В МАГАТЭ заявили о повреждении резервной линии из-за обстрела ЗАЭС
В МАГАТЭ указали, что резервная линия электропередачи к ЗАЭС повреждена из-за обстрела
«Меркель была права»: Олланд подтвердил, что Минские договоренности помогли окрепнуть ВСУ
Экс-президент Франции Олланд: Минские соглашения дали время армии Украины стать сильнее
Взрыв прогремел в турецком ресторане, семь человек погибли
Семь человек погибли при взрыве в ресторане турецкого Айдына
Как в компьютерной игре: Кулеба сравнил поставки оружия Украине с прохождением «уровней»
Глава МИД Украины Кулеба призвал западных партнеров запереть Россию «в ее границах под замок»
«Проект моей жизни». Волож попрощался с сотрудниками «Яндекса»
Сооснователь «Яндекса» Волож сообщил об уходе из компании
Что такое кислородная революция?
Недавно ученым удалось отыскать фактор, который, судя по всему, вызвал значительный эволюционный скачок миллиарды лет назад. «Кислородная революция» изменила химический состав поверхности планеты и подготовила ее к появлению более сложных форм жизни.
Василий Макаров
Теги:
Открытия
Земля
Эволюция
Атмосфера
Катастрофа
В ранних океанах и даже в атмосфере молодой Земли не было свободного кислорода, хотя за счет фотосинтеза цианобактерии и продуцировали его как побочный продукт метаболизма. Свободный кислород не вступает во взаимодействие с другими распространенными на планете элементами, такими как азот или углерод, а вот человеку он жизненно необходим.
Ученые подсчитали, что небольшие «карманы» свободного кислорода начали появляться на Земле примерно три миллиарда лет назад, а около 2,4 миллиардов лет назад уровень кислорода в атмосфере резко увеличился: за 200 миллионов лет кислорода стало больше в 10 000 раз! Это событие исследователи окрестили Кислородной катастрофой (Great Oxidation Event, букв. Великое окисление) и именно оно полностью изменило характер поверхностных химических реакций Земли.
Кислородная революция: преобразившаяся Земля
Геолог из Университета Британской Колумбии Мэттис Смит (Matthijs Smit) и его коллега, профессор Клаус Мезгер (Klaus Mezger) из Университета Берна, посвятили новую работу исследованию этого феномена. Зная, что Кислородная катастрофа также трансформировала и породы, из которых состоят континенты, ученые начали изучать результаты геохимического анализа вулканической активности по всему миру, что в конечном итоге позволило им отобрать 48 000 образцов, возраст которых исчисляется миллиардами лет.
В своем пресс-релизе Смит отмечает, что с того момента, как в океане начал появляться свободный кислород, в составе континентов произошли ошеломляющие изменения. Горные породы на территории современной Исландии и Фарерских островов по составу примерно похожи на те, что были на молодой Земле до Кислородной катастрофы: они богаты магнием, а вот содержание кремнезема в них довольно низкое. Породы прошлого содержали минеральный оливин, который инициировал кислородные химические реакции при контакте с водой. По мере того, как континентальная кора развивалась и увеличивалась в размерах, оливин практически исчез, а с ним прекратились и реакции. Кислород начал накапливаться в океанах, а когда вода насытилась им, то газ стал уходить и в атмосферу.
Смит уверен, что именно это и стало отправной точкой для развития жизненных форм такими, какими мы их знаем сегодня. После насыщения кислородом Земля стала не только более пригодной для жизни в целом, но и куда лучше подходящей для развития сложных организмов.
Причина изменений континентальной структуры пока остается неизвестной, но ученые отмечают, что тектоника плит началась примерно в этот период, а потому между этими событиями может быть прямая связь.
Значение открытия
Речь не идет об эволюции и абиогенезе — вопросы изначального зарождения жизни на Земле все еще остаются открытыми. Однако кислород — важнейший элемент, обеспечивший существование белковой жизни. Зная, как он изменил Землю, ученые смогут применить тот же принцип в исследовании экзопланет и в будущем выбрать для человечества идеальную планету для заселения: к примеру, уже сейчас астрономы подозревают, что две планеты в системе TRAPPIST-1 покрыты огромными океанами. Зная, как кислород влияет на формирование континентов, можно будет значительно сузить круг поисков и целенаправленно искать максимально подходящий нам новый мир.
Кислородная революция Земли | Wat on Earth
Брайан Кендалл, Департамент наук о Земле и окружающей среде, Университет Ватерлоо
Сделайте глубокий вдох! Это простое действие обеспечивает ваше тело живительным кислородом и удаляет ненужный углекислый газ.
Это часть того, что мы называем дыханием, при котором химическая энергия органических молекул (полученных из пищи, которую мы едим) высвобождается во время реакции, которая потребляет кислород и высвобождает воду и углекислый газ. В течение одного дня взрослый человек делает около 20 000 вдохов. Несмотря на то, что это необходимо для нашего выживания, мы обычно воспринимаем каждый вдох как должное, пока продолжаем нашу насыщенную жизнь. Вы когда-нибудь задумывались, когда и почему кислород стал так распространен на Земле? Или как оксигенация поверхности Земли связана с эволюцией жизни?
Какое нам дело до прошлого распределения кислорода на поверхности Земли? Деятельность человека, в том числе сжигание ископаемого топлива и вырубка лесов, выбрасывает в атмосферу парниковые газы, такие как углекислый газ. Земля становится теплее. Каковы будущие последствия? Мы можем ожидать снижения концентрации кислорода в океане. Растворимость кислорода в воде уменьшается с повышением температуры.
Континентальное выветривание ускоряется на более теплой Земле, доставляя больше питательных веществ (например, фосфора) в прибрежные океаны. К этой питательной нагрузке добавляется сток удобрений. Эти дополнительные питательные вещества усиливают рост первичных продуцентов, и после того, как эти организмы умирают, при распаде их органического вещества потребляется кислород. Снижение уровня кислорода в океане угрожает уничтожить прибрежную морскую биосферу, в том числе рыболовство — основной источник белка для многих стран. «Мертвые зоны» теплого сезона, содержащие слишком мало O 2 (< 2 мг/л) для поддержки крупной фауны, расширяются. Чтобы понять эту угрозу и справиться с ней, мы стремимся извлечь уроки из прошлого, «читая каменные записи» о прошлой истории оксигенации океана.
Более того, астрономы обнаружили сотни планет за пределами нашей Солнечной системы. Поиски планет размером с Землю в «обитаемой зоне» — области вокруг звезды, где на поверхности планеты может существовать жидкая вода — начались всерьез (например, миссия НАСА «Кеплер»).
Такие планеты потенциально могут поддерживать сложную жизнь. Чем геологическая история и ход биологической эволюции на других обитаемых планетах могут отличаться от нашей? Конечно, основной движущей силой для нас является поиск разумной жизни где-то еще во Вселенной. Кислород считается предпосылкой для эволюции сложной животной и разумной жизни. Логичным шагом для нас является поиск богатых кислородом миров. Чтобы направить наши усилия, мы стремимся понять совместную эволюцию жизни и окружающей среды на Земле.
Сегодня атмосфера Земли содержит 21 % кислорода, и большая часть океанов насыщена кислородом. Однако на протяжении большей части истории нашей планеты, длившейся 4567 миллионов лет (млн лет), это было не так. Наше прочтение горных пород рисует картину длительного насыщения кислородом атмосферы и океанов (рис. 1). В течение более 2000 миллионов лет (млн лет) после образования Земли свободный O 2 почти не существовал на поверхности Земли, а океаны состояли преимущественно из Fe 2 + -богат.
Кислород начал накапливаться в атмосфере только 2400–2100 млн лет назад — временной интервал, названный «Великое событие окисления». По оценкам, во время этого события концентрация O 2 в атмосфере возросла до уровня, эквивалентного примерно 1–10% сегодняшнего уровня.
Рис. 1. Насыщение кислородом поверхности Земли во времени и его связь со значительными этапами биологической эволюции. На верхней панели показано содержание кислорода в атмосфере в % по отношению к нынешним уровням в атмосфере (PAL). Нижняя панель показывает относительное распределение кислорода- (O 2 ), сульфидные (H 2 S) и железосодержащие (Fe 2 + ) воды на мелководье и глубоком океане. Светло-голубой оттенок указывает на более низкие уровни растворенного O 2 . Более светло-розовый оттенок означает меньше H 2 S и больше Fe 2 + .
Что вызвало оксигенацию атмосферы? Эволюция оксигенного фотосинтеза, несомненно, была необходимой предпосылкой, потому что это единственный наиболее важный источник O 2 на поверхности Земли.
Однако, вероятно, это был не единственный фактор. Появляется все больше свидетельств фотосинтеза O 2 образование и накопление в поверхностных водах вдоль некоторых прибрежных районов («кислородные оазисы») по крайней мере за несколько сотен миллионов лет до Великого события окисления. В этих кислородных оазисах, возможно, даже жили первые O 2 — дышащие эукариоты.
Почему же тогда Великое событие окисления произошло так долго? Кислород должен был сначала подавить поток восстановителей (например, H 2 , CH 4 ), прежде чем он мог накопиться в атмосфере. Фотосинтетический O 2 Накопление в поверхностных слоях океана могло начаться медленно. Прогрессирующая потеря водорода в космос или уменьшение потока восстанавливающих вулканических газов могли быть необходимы, чтобы склонить чашу весов в сторону насыщения кислородом. Свою роль могли сыграть многочисленные сильные оледенения (распространяющиеся до тропических широт).
Высокие уровни CO 2 в атмосфере необходимы для прекращения сильного оледенения. Возникший в результате жаркий климат должен был способствовать интенсивному высвобождению питательных веществ, связанному с выветриванием (усугубляемому ледниковой эрозией), и, следовательно, высоким показателям первичной продуктивности на тропических континентальных шельфах. Затем большое количество органического вещества (мертвые первичные продуценты) закапывается в отложениях. Захороненное органическое вещество не может реагировать с O 2 , который накапливается в атмосфере (рис. 2).
Рисунок 2. Взаимосвязь между фотосинтезом, захоронением органического вещества и оксигенацией. Увеличение количества питательных веществ в океанах будет стимулировать первичную продуктивность, включая фотосинтез. Распад тонущего органического вещества будет потреблять растворенный кислород, процесс, который сегодня способствует обескислороживанию прибрежных океанов. Однако в более длительных (геологических) временных масштабах высокая скорость доставки питательных веществ в океаны может привести к захоронению большого количества органического вещества (CH 2 О).
Кислород, образующийся в результате фотосинтеза, не может реагировать с захороненным органическим веществом, поэтому газ скапливается на поверхности Земли.
Великое событие окисления привело к повсеместному насыщению кислородом поверхности океанов. Однако атмосферные уровни O 2 были недостаточно высоки, чтобы насыщать кислородом глубокие океаны. Вместо этого океаны Земли стали стратифицированными, с насыщенными кислородом поверхностными водами, бескислородными и богатыми H 2 S (сульфидными) средними водами, а также бескислородными и Fe 2 + -носные (железистые) глубоководные воды. Как возникли сульфидные условия? В присутствии O 2 сульфидные минералы, выходящие на сушу, окислялись до сульфата, который затем реками доставлялся в океаны. В прибрежных районах, где с поверхности океана опускалось большое количество мертвого органического вещества от первичных продуцентов, бактерии получали энергию за счет окисления органического вещества при восстановлении сульфата до сульфида.
Затем возникли сульфидные условия, когда было достаточно H 2 S был произведен для поглощения всего O 2 в средней толще воды.
Широко распространенная окислительно-восстановительная стратификация океана, вероятно, сохранялась более 1500 млн лет среднего возраста Земли. Однако этот период времени не был полностью монотонным. Более молодая часть Великого события окисления характеризуется кратковременным повышением уровня O 2 в атмосфере 2200–2100 млн лет назад. Возможное объяснение состоит в том, что начало глобального окислительного континентального выветривания принесло большое количество фосфора в океаны, вызвав массовую первичную продуктивность и захоронение органического вещества в отложениях. Напротив, временное падение уровня O 9 в океанеУровни 0011 2 произошли 1900 млн лет назад, потому что интенсивный вулканизм высвободил большое количество Fe 2 + и других восстановителей. После этого в насыщении кислородом атмосферы и океана в течение длительного времени, по-видимому, произошли относительно небольшие изменения.
В течение этого «скучного» интервала в миллиард лет эукариотическая эволюция протекала очень медленно.
Напротив, интервал между 800 и 500 млн лет назад был отмечен драматическими изменениями, в частности крупным событием оксигенации, распадом суперконтинента, по крайней мере двумя сильными оледенениями и значительной диверсификацией эукариот. Формирование и распад тропического суперконтинента поставляет в океаны обильные питательные вещества и, возможно, привел к высоким показателям первичной продуктивности и захоронения органического вещества. Недавно появившиеся морские эукариоты с органическими частями тела, более устойчивыми к деградации, также могли позволить более эффективное захоронение органического вещества. Однако наибольшей движущей силой изменений могли быть оледенения (рис. 3). После самого молодого глобального оледенения 635 млн лет назад («Земля-снежок») жаркий климат, вероятно, способствовал повышению первичной продуктивности и захоронению органического вещества.
Вскоре после оледенения последовало значительное увеличение оксигенации океана.
Рис. 3. Ледниковые отложения, отложившиеся около 670 миллионов лет назад в бассейне океана. Этот тип породы называется диамиктитом и состоит из плохо отсортированной смеси крупных и мелких обломков, окруженных более мелкозернистой осадочной матрицей. Обратите внимание на масштаб монеты. Формация Арейонга, бассейн Амадей, центральная Австралия. Фото предоставлено: Р.А. Кризер.
Впервые в истории Земли океаны содержали достаточно растворенного O 2 , чтобы поддерживать жизнь крупных сложных животных. Вскоре после окончания оледенения Снежного кома и увеличения оксигенации океана в летописи горных пород появляются первые крупные сложные животные, в том числе те, которые могли передвигаться и охотиться на другие организмы. Ряд головокружительно быстрых эволюционных нововведений, обусловленных экологическими, генетическими и экологическими факторами, завершился «кембрийским взрывом» (названным в честь кембрийского периода, в котором он произошел) жизни скелетных животных около 540–520 млн лет назад.
Примечательно, что эволюции потребовалось четыре миллиарда лет истории Земли для создания жизни животных, и что роль в этом сыграли катастрофические оледенения.
Принято считать, что с тех пор атмосфера и океаны Земли были хорошо насыщены кислородом. Однако недавние результаты указывают на более низкие уровни O 2 в атмосфере и большие колебания уровней O 2 в океане между 635 и 400 млн лет назад. Другой импульс O 2 мог быть вызван диверсификацией наземных растений 400 млн лет назад. Наземные растения обеспечивают более эффективное захоронение органического вещества, ускоряя скорость континентального выветривания. Органический растительный материал также может быть очень устойчивым к деградации, и его легче закапывать. Результирующее увеличение O 2 могли стимулировать эволюцию крупных хищных рыб. Диверсификация наземных растений и формирование суперконтинента Пангея, вероятно, сыграли важную роль в захоронении достаточного количества органического вещества, чтобы создать самые высокие уровни O 2 в атмосфере в истории Земли 300–275 млн лет назад.
Хотя океаны Земли были преимущественно насыщены кислородом в течение последних 400 млн лет, были короткие интервалы, называемые «океаническими бескислородными событиями», которые сопровождались массовым вымиранием жизни. Деоксигенация океана обычно была вызвана теплым климатом (высокое содержание CO 9 в атмосфере).0011 2 ) и плохая циркуляция океана. Во время аноксического события более высокие темпы захоронения органического вещества и континентального выветривания потребляли избыток атмосферного CO 2 . Падение содержания CO 2 способствовало возвращению в более холодные океаны (способствуя большей растворимости кислорода и циркуляции океана) и уменьшению запасов питательных веществ для первичных производителей (меньшее потребление O 2 за счет распада органического вещества). Вместе с предшествующим захоронением органического вещества (выброс O 2 ) эти изменения позволили восстановить океаны, насыщенные кислородом.
Худшее массовое вымирание на Земле произошло во время бескислородного океана 250 миллионов лет назад. Ученые-геологи внимательно изучают эти события, чтобы лучше предсказать будущие масштабы обескислороживания океана и его влияние на человеческую цивилизацию.
Наконец, как ученые-геологи реконструируют историю насыщения кислородом поверхности Земли? Наши подсказки исходят из отложений, отложившихся в древних океанах Земли, которые теперь сохранились в виде слоев осадочных пород. Мы можем отобрать образцы этих пород на поверхности земли, где они были обнажены в результате эрозии (обнажения пород) или в результате деятельности человека (шахты, выемки дорог). В качестве альтернативы мы можем получить образцы путем глубокого бурения под поверхностью (рис. 4). Ученые-геологи предпочитают буровые керны, потому что извлеченные породы не пострадали от реакций выветривания на поверхности Земли.
Рис. 4. Черный сланец, богатый органическими веществами, отложившийся около 2500 миллионов лет назад в глубоководных водах океана.
Сланец состоит из мелкозернистого осадка (размер частиц <0,0625 мм) и делящегося (легко расщепляется на тонкие листы, похожие на бумагу). Также видны тонкие пластинки и конкреции металлического латунно-желтого пирита («золото дураков»). Сланцевая гора Макрей, бассейн Хамерсли, Западная Австралия. Фото: Б. Кендалл.
Наш предпочтительный метод реконструкции истории насыщения кислородом атмосферы и океана состоит в изучении распределения чувствительных к кислороду элементов и минералов в осадочных породах. Одним из примеров являются массивные образования железа (основной источник промышленной железной руды), отложившиеся до Великого события окисления и во время вулканического эпизода 19.00 млн лет назад (рис. 5). Для их образования необходимо накопление больших количеств растворенного Fe2+ в преимущественно бескислородных и бессернистых океанах. Другим примером является обилие чувствительных к окислительно-восстановительному потенциалу металлов, таких как молибден (Mo) и ванадий (V), в богатых органическими веществами отложениях (рис.
6). В присутствии O 2 эти металлы выветриваются с континентов и переносятся реками в океаны, где они накапливаются в обогащенной кислородом морской воде. При попадании в бескислородные условия Mo и V удаляются из морской воды в отложения. Обилие металлов в отложениях (ныне черных сланцах) можно использовать для определения концентрации металлов в древней морской воде и степени насыщения кислородом. Высокое содержание Mo и V в черных сланцах указывает на большой запас металлов в насыщенных кислородом океанах. Напротив, низкие количества Mo и V в черных сланцах указывают на незначительное окислительное выветривание или O 2 -дефицитные океаны (что способствует высокой скорости захоронения металлов в отложениях).
Рисунок 5. Изобилие железистых образований во времени. Большая часть образования железа образовалась в начале истории Земли, когда океаны были преимущественно бескислородными и богатыми Fe2+. В результате Великого события окисления количество растворенного Fe2+ в океанах значительно уменьшилось в результате реакции с кислородом, сульфатом и сульфидом, что в значительной степени предотвратило дальнейшее отложение железа.
Исключение произошло около 1900 млн лет назад, когда интенсивный вулканизм поставлял в океаны большие количества Fe2+. По прошествии этого времени образование железа в горных породах практически отсутствует. Модифицировано из Rasmussen et al. (2012).
Рисунок 6. Содержание молибдена (Mo) и ванадия (V) в черных сланцах во времени. Обилие указывается в частях на миллион (млн), где 1 ч/млн. означает 1 × 10 -6 грамм Mo (или V) на грамм сланца. Концентрации металлов также делятся (или «нормируются») на общее содержание органического углерода (TOC; указывается в % по весу от сланца) для корректировки различных количеств органического вещества в отложениях. Можно видеть, что концентрации Mo и V в черных сланцах со временем увеличивались, отражая рост запасов этих металлов в океане в ответ на насыщение океана кислородом. Значительное увеличение концентрации металлов наблюдается в ответ на Великое событие окисления (2400–2100 миллионов лет назад) и вскоре после оледенения «Земля-снежок» 635 миллионов лет назад.
Модифицировано из Sahoo et al. (2012).
Вооружившись этими инструментами, ученые-геологи продолжат исследовать геологическую летопись Земли и предоставлять нам необходимые знания, чтобы гарантировать, что мы лучше всего подготовлены к борьбе с экологическими угрозами, с которыми мы сталкиваемся, и направлять нас в поисках жизни в других местах в космос. История кислорода на Земле — один из аспектов быстро развивающейся области астробиологии, изучающей происхождение, эволюцию и распространение жизни во Вселенной. Возможно, когда-нибудь астробиологи ответят на один вопрос, занимающий все наши умы: одиноки ли мы?
Избранные (недавние) статьи и обзоры по истории оксигенации поверхности Земли:
Anbar et al. (2007) Наука 317, 1903-1906.
Bekker et al. (2004) Природа 427, 117-120.
Bekker and Holland (2012) Earth and Planetary Science Letters 317-318, 295-304.
Бернер (2003) Природа 426, 323-326.
Бреннека и др. (2011) Труды Национальной академии наук 108, 17631-17634.
Кэтлинг и Клэр (2005) Earth and Planetary Science Letters 237, 1-20.
Коэн и др. (2004) Геология 32, 157-160.
Dahl et al. (2010) Труды Национальной академии наук 107, 17911-17915.
Фальковски и Годфри (2008) Philosophical Transactions Royal Society B 363, 2705-2716.
Gaillard et al. (2011) Природа 478, 229-232.
Голландия (2006) Philosophical Transactions Royal Society B 361, 903-915.
Голландия (2009) Geochimica et Cosmochimica Acta 73, 5241-5255.
Kendall et al. (2010) Nature Geoscience 3, 647-652.
Оч и Шилдс-Чжоу (2012) Обзоры наук о Земле 110, 26-57.
Poulton et al. (2010) Nature Geoscience 3, 486-490.
Планавский и др. (2011) Природа 477, 448-451.
Rasmussen et al (2012) Nature 484, 498-501.
Turgeon and Creaser (2008) Nature 454, 323-326.
Sahoo et al. (2012) Природа 489, 546-549.
Скотт и др. (2008) Природа 452, 456-459.
Кислородная революция и эукариоты – TimeTrek
2 200 миллионов лет – 2,2 километра
Эукариоты, вероятно, произошли в результате симбиоза между бактериями и археями. (Maulucioni y Doridí, Wikimedia Commons)
Кислород, вырабатываемый цианобактериями или «сине-зелеными водорослями», накапливается в атмосфере и вызывает массовое вымирание анаэробных микробов. Бактерии, дышащие кислородом, симбиотически живут внутри эукариотических клеток. Позже они эволюционируют и становятся митохондриями. Цианобактерии образуют строматолиты Пеуранпало Терволы в Перапохье.
Изображение: Эукариоты (растения, животные, грибы и протисты) развились, вероятно, в результате симбиоза сложного архея и бактерии.
Без эукариот не было бы сложной многоклеточной жизни. Адаптировано из Kelvinsong | Wikimedia
Кислородная революция и жизнь
Великое событие оксигенации было одной из самых больших катастроф в истории биосферы Земли. Кислород — опасное соединение, отравившее океаны и атмосферу. Кроме того, из-за окисления атмосферного метана Земля превратилась в ледяную планету, которая предлагала лишь несколько ниш для жизни. Одновременно изменилась и доступность многих питательных веществ. Например, раньше двухценное железо было легкодоступно, но теперь оно окислилось до нерастворимой ржавчины в процессе, в результате которого образуются очень токсичные кислородные радикалы.
Исчезло огромное количество микробов. Многие отступили к безопасным анаэробным условиям, но у некоторых видов выработались сложные защитные механизмы, и они научились переносить кислород. Некоторые из этих видов даже научились использовать этот реактивный яд в качестве превосходного источника энергии.
Эти аэробные организмы смогли разнообразиться после отступления льда. Одним из этих видов, использующих кислород, был ранний эукариот, от которого произошла вся сложная многоклеточная жизнь.
Происхождение эукариот
Все растения, животные, грибы и различные группы простейших являются эукариотами. Эукариоты намного сложнее и крупнее прокариотических бактерий и архей. У эукариот есть, например, ядро и другие клеточные органеллы. Без эукариот не было бы сложной многоклеточной жизни.
Существуют разные взгляды на происхождение эукариот. Возраст первых окаменелостей около 1,8 миллиарда лет, но вполне вероятно, что эукариоты эволюционировали раньше. Эукариоты имеют большое количество генов, сходных как с археями, так и с бактериями. Таким образом, эукариотический геном мог образоваться в результате слияния археума и бактерии.
Митохондрия, электростанция эукариотической клетки, получена из кислорода с использованием симбиотической бактерии, которая была помещена внутрь клетки-хозяина, связанной с археумом.
Все современные эукариоты, кажется, произошли от предка с митохондриями. До сих пор неясно, развились ли другие признаки эукариот, такие как ядро, до или после приобретения митохондрий. Постепенно большая часть его генов была перенесена в ядерный геном. Производство энергии внутри митохондрий происходит посредством окислительного дыхания, и, по-видимому, кислородная атмосфера способствовала эволюции эукариотических видов.
Позже, в ходе аналогичного эндосимбиотического процесса, фотосинтезирующие цианобактерии были помещены внутрь эукариотических клеток. Эта цианобактерия превратилась в другую органеллу — хлоропласт. Эти клетки с новым хлоропластом внутри них развились сначала в одноклеточные эукариотические водоросли, а затем в многоклеточные водоросли и растения.
Дерево эукариот © Wikimedia/Maulucioni y Doridí
Эукариоты, или растения, животные, грибы и различные группы простейших, развились, вероятно, в результате симбиоза бактерий и археонов. Хлоропласты растений развились из цианобактерий (сине-зеленых водорослей).