Кубанский государственный технологический университет

Содержание кислорода в атмосфере Земли менялось скачком

21-02-2012
В современной биосфере весь кислород, образовавшийся в результате фотосинтеза наземной растительности и океанического фитопланктона, расходуется на дыхание организмов, разлагающих органическое вещество, — бактерий, грибов и животных. Фото с сайта www.wri.org

Заметное увеличение содержания свободного кислорода в атмосфере Земли 2,4 млрд лет назад, по-видимому, явилось результатом очень быстрого перехода от одного равновесного состояния к другому. Первый уровень соответствовал крайне низкой концентрации О2 — примерно в 100 000 раз ниже той, что наблюдается сейчас. Второй равновесный уровень мог быть достигнут при более высокой концентрации, составляющей не менее чем 0,005 от современной.

Содержание кислорода между двумя этими уровнями характеризуется крайней неустойчивостью. Наличие подобной «бистабильности» позволяет понять, почему в атмосфере Земли было так мало свободного кислорода в течение по крайней мере 300 млн лет после того, как его стали вырабатывать цианобактерии (синезеленые «водоросли»).

В настоящее время атмосфера Земли на 20% состоит из свободного кислорода, который есть не что иное как побочный продукт фотосинтеза цианобактерий, водорослей и высших растений. Очень много кислорода выделяется тропическими лесами, которые в популярных изданиях нередко называют легкими планеты. При этом, правда, умалчивается, что за год тропические леса потребляют практически столько же кислорода, сколько образуют. Расходуется он на дыхание организмов, разлагающих готовое органическое вещество, — в первую очередь бактерий и грибов. Для того, чтобы кислород начал накапливаться в атмосфере, хотя бы часть образованного в ходе фотосинтеза вещества должна быть выведена из круговорота — например, попасть в донные отложения и стать недоступной для бактерий, разлагающих его аэробно, то есть с потреблением кислорода.

Суммарную реакцию оксигенного (то есть «дающего кислород») фотосинтеза можно записать как:     CO2 + H2O + hν → (CH2O) + O2, где hν — энергия солнечного света, а (CH2O) — обобщенная формула органического вещества. Дыхание же — это обратный процесс, который можно записать как:     (CH2O) + O2 → CO2 + H2O. При этом будет высвобождаться необходимая для организмов энергия. Однако аэробное дыхание возможно только при концентрации O2 не меньше чем 0,01 от современного уровня (так называемая точка Пастера). В анаэробных условиях органическое вещество разлагается путем брожения, а на завершающих стадиях этого процесса нередко образуется метан. Например, обобщенное уравнение метаногенеза через образование ацетата выглядит как:     2(СH2O) → CH3COOH → CH4 + CO2. Если комбинировать процесс фотосинтеза с последующим разложением органического вещества в анаэробных условиях, то суммарное уравнение будет иметь вид:     CO2 + H2O + hν → 1/2 CH4 + 1/2 CO2 + O2. Именно такой путь разложения органического вещества, видимо, был основным в древней биосфере.

Многие важные детали того, как установилось современное равновесие между поступлением кислорода в атмосферу и его изъятием, остаются невыясненными. Ведь заметное увеличение содержания кислорода, так называемое «Великое окисление атмосферы» (Great Oxidation), произошло только 2,4 млрд лет назад, хотя точно известно, что осуществляющие оксигенный фотосинтез цианобактерии были уже достаточно многочисленны и активны 2,7 млрд лет назад, а возникли они еще раньше — возможно, 3 млрд лет назад. Таким образом, в течение по крайней мере 300 миллионов лет деятельность цианобактерий не приводила к увеличению содержания кислорода в атмосфере.

Полосчатые железорудные формации, образовавшиеся более 2 млрд. лет тому назад при окислении кислородом атмосферы восстановленных соединений железа. Из подобных руд сложена и Курская магнитная аномалия. Фото Пола Хоффмана с его сайта

Предположение о том, что в силу каких-то причин вдруг произошло радикальное увеличение чистой первичной продукции (то есть прироста органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза цианобактерий), критики не выдержало. Дело в том, что при фотосинтезе преимущественно потребляется легкий изотоп углерода 12С, а в окружающей среде возрастает относительное содержание более тяжелого изотопа 13С. Соответственно, донные отложения, содержащие органическое вещество, должны быть обеднены изотопом 13С, который скапливается в воде и идет на образование карбонатов. Однако соотношение 12С и 13С в карбонатах и в органическом веществе отложений остается неизменным несмотря на радикальные изменения в концентрации кислорода в атмосфере. Значит, всё дело не в источнике О2, а в его, как выражаются геохимики, «стоке» (изъятии из атмосферы), который вдруг существенным образом сократился, что и привело к существенному увеличению количества кислорода в атмосфере.

Обычно считается, что непосредственно до «Великого окисления атмосферы» весь образующийся тогда кислород расходовался на окисление восстановленных соединений железа (а потом серы), которых на поверхности Земли было довольно много. В частности, тогда образовались так называемые «полосчатые железные руды». Но недавно Колин Гольдблатт, аспирант Школы наук об окружающей среде при Университете Восточной Англии (Норвич, Великобритания), совместно с двумя коллегами из того же университета пришли к выводу о том, что содержание кислорода в земной атмосфере может быть в одном из двух равновесных состояний: его может быть или очень мало — примерно в 100 тысяч раз меньше, чем сейчас, или уже довольно много (хотя с позиции современного наблюдателя мало) — не менее, чем 0,005 от современного уровня.

В предлагаемой модели они учли поступление в атмосферу как кислорода, так и восстановленных соединений, в частности обратив внимание на соотношение свободного кислорода и метана. Они отметили, что если концентрация кислорода превышает 0,0002 от современного уровня, то часть метана уже может окисляться бактериями метанотрофами согласно реакции:     CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Но остальной метан (а его довольно много, особенно при низкой концентрации кислорода) поступает в атмосферу.

Результаты моделирования, демонстрирующие наличие резкого скачка (складки кривых, отмеченные точками) от одного равновесного уровня содержания свободного кислорода атмосферы до другого. Концентрация кислорода (по ординате) показана как функция потока восстановленных веществ (панель a) или величины чистой первичной продукции биосферы (панель b). Содержание кислорода выражено в долях от современного уровня (PAL — Present Atmospheric Level). Верхний край шкалы (100) — это современная концентрация. На панели a сплошная линия соответствует современной величине чистой первичной продукции океана, оцененной в количестве образовавшегося при фотосинтезе кислорода (3,75 × 1015 молей О2 в год), а пунктирная линия — половине этого значения. Обе линии показаны точками там, где состояние всей системы крайне неустойчивое, переходное. Широкая серая полоса на той же панели — поступление восстановленных веществ, которое предположительно происходило в период образования полосчатых железных руд (2,69–2,44 млрд лет тому назад). Вертикальная серая линия слева от полосы — это уровень современного поступления восстановленного железа через гидротермы. На панели b сплошная линия графика соответствует современному поступлению восстановленного железа в океан, а пунктирная линия — тому, которое предполагалось до начала периода «Великого окисления». Как и в случае графиков на панели a, точками обе линии проведены там, где был переход от одного равновесного состояния к другому. Современный уровень первичной продукции океана показан серой вертикальной чертой. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Вся система находится в неравновесном состоянии с точки зрения термодинамики. Основной же механизм восстановления нарушенного равновесия — окисление метана в верхних слоях атмосферы гидроксильным радикалом (см. Колебания метана в атмосфере: человек или природа — кто кого, «Элементы», 06.10.2006). Гидроксильный радикал, как известно образуется в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Но если кислорода в атмосфере много (по меньшей мере 0,005 от современного уровня), то в верхних ее слоях образуется озоновый экран, хорошо защищающий Землю от жестких ультрафиолетовых лучей и вместе с тем мешающий физико-химическому окислению метана.

Авторы приходят к несколько парадоксальному выводу о том, что само по себе существование оксигенного фотосинтеза не является достаточным условием ни для того, чтобы сформировалась богатая кислородом атмосфера, ни для того, чтобы возник озоновый экран. Данное обстоятельство следует учитывать в тех случаях, когда мы пытаемся найти признаки существования жизни на других планетах основываясь на результатах обследования их атмосферы.

Источник: Colin Goldblatt, Timothy M. Lenton, Andrew J. Watson. Bistability of atmospheric oxygen and the Great Oxidation // Nature. 2006. V. 443. P. 683-686.

Алексей Гиляров

См. также: Новая модель объясняет, почему в атмосфере Земли так медленно накапливался кислород, «Элементы», 10.08.2005. Кислород в древней атмосфере: «железное» доказательство подвергнуто сомнению, «Элементы», 27.10.2005.

‹‹