Кислородная катастрофа

Кислородная катастрофа (кислородная революция, также англ. Great Oxidation Event, дословно — «Великое окисление») — глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее в самом начале протерозоя в период сидерий около 2,45 млрд лет назад. Результатом кислородной катастрофы стало появление в составе атмосферы свободного кислорода и изменение общего характера атмосферы с восстановительного на окислительный. Предположение о кислородной катастрофе было сделано на основе резкого изменения характера осадконакопления.

Накопление O₂ в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка.
1. (3,85—2,45 млрд лет назад) — O₂ не производился
2. (2,45—1,85 млрд лет назад) O₂ производился, но поглощался океаном и породами морского дна
3. (1,85—0,85 млрд лет назад) O₂ выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя
4. (0,85—0,54 млрд лет назад) все горные породы на суше окислены, начинается накопление O₂ в атмосфере
5. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) современный период, содержание O₂ в атмосфере стабилизировалось

Первичный состав атмосферы

Точный состав первичной атмосферы Земли на сегодняшний день неизвестен, однако, как правило, учёные считают, что она сформировалась в результате дегазации мантии и носила восстановительный характер. Основу её составляли углекислый газ, сероводород, аммиак, метан. В пользу этого свидетельствуют:

• неокисленные отложения, образовавшиеся явно на поверхности (например, речная галька из нестойкого к кислороду пирита);
• отсутствие известных значимых источников кислорода и других окислителей;
• изучение потенциальных источников первичной атмосферы (вулканические газы, состав других небесных тел).

Причины кислородной катастрофы

Единственным значимым источником молекулярного кислорода является биосфера, точнее, фотосинтезирующие организмы. Фотосинтез, видимо, появился на заре существования биосферы (3,7—3,8 млрд лет назад), однако археи и большинство групп бактерий практиковали аноксигенный фотосинтез, при котором не вырабатывается кислород.

Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7—2,8 млрд лет назад^[1]. Выделяющийся кислород практически сразу расходовался на окисление горных пород, растворённых соединений и газов атмосферы. Высокая концентрация создавалась лишь локально в пределах бактериальных матов (так называемые кислородные карманы). После того как поверхностные породы и газы атмосферы оказались окисленными, кислород начал накапливаться в атмосфере в свободном виде.

Последствия кислородной катастрофы

Биосфера

Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной, неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными, ограниченными ранее лишь «кислородными карманами»; анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «биосфера вывернулась наизнанку»). В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана, существенно расширившего границы биосферы, и привело к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным) кислородного дыхания.

Атмосфера

В результате изменения химического состава атмосферы после кислородной катастрофы изменилась её химическая активность, сформировался озоновый слой, резко уменьшился парниковый эффект. Как следствие, планета вступила в эпоху Гуронского оледенения.

Альтернативная датировка

В октябре 2015 года геохимики из Висконсинского университета в Мадисоне на основе изучения образца яшмы из ЮАР, датированного 3,4—3,23 миллиардами лет, выдвинули предположение о начале кислородной катастрофы на 830 миллионов лет ранее^[2][3].

Критика концепции кислородной катастрофы

В настоящее время сам феномен кислородной катастрофы (заключающийся в том, что началась деятельность фотосинтетических организмов, связанное с этим накопление кислорода и превращение условий на поверхности планеты из восстановительных в окислительные) подвергается серьёзной критике. Установлено, что фотосинтетические организмы-продуценты кислорода появились ещё в начале архея, но свободный кислород в атмосфере Земли на рубеже архея и протерозоя появился благодаря изменениям характера земного вулканизма и это был постепенный и растянутый во времени процесс, но никак не единомоментное событие. Накопление органического углерода, отражающее жизнедеятельность древних организмов-фотосинтетиков, в архее проходило практически на таком же уровне, как и в последующие геологические эпохи. Но образовывавшийся на протяжении всего архея кислород не накапливался в атмосфере, а быстро расходовался на окисление каких-то веществ. Этими веществами были, вероятно, вулканические газы (сероводород, сернистый газ, метан и водород) и соединения двухвалентного железа (Fe²⁺). Изменения в характере вулканизма в конце архейской эры, связанные с формированием и стабилизацией континентальных плит, уменьшили поступление этих газов в атмосферу древней Земли, и кислород в итоге начал накапливаться. Но на протяжении большей части следующего за археем протерозоя уровень кислорода в земной атмосфере не повышался и в целом оставался низким, наблюдались даже периоды его снижения. И лишь в конце протерозоя по неизвестным причинам произошёл второй кислородный скачок, с которым связывается появление многоклеточных организмов. По одной из версий, новый рост содержания кислорода в биосфере в конце протерозойской эры был вызван тем, что планктонные организмы-обитатели гидросферы приобрели способность осаждать органику, образующуюся при отмирании живых организмов, из толщи воды на дно (т. н. пеллетная транспортировка), тем самым выводя её из биологического круговорота. Поэтому значительная часть кислорода, тратившаяся на окисление мёртвого органического вещества до углекислого газа и воды, высвободилась и, в итоге, кислород стал накапливаться.

Всё это вместе говорит о том, что «Великое кислородное событие» следует рассматривать как сильно растянутый во времени процесс, продолжительностью не менее 1,5 млрд лет, имевший два выраженных скачка (около 2,5 млрд и 0,8—0,9 млрд лет назад) и как минимум одно падение (около 2,1 млрд лет назад) в содержании атмосферного кислорода. И все эти события являлись преимущественно результатом изменений вулканических процессов и геохимических соотношений, а не сдвигов биологической активности и метаболизма.

Интересной особенностью кислородных скачков являются наступавшие вслед за ними глобальные оледенения (Гуронское оледенение и Криогений). Как предполагается, Гуронское оледенение было вызвано снижением содержания метана в атмосфере вследствие уменьшения его выбросов от вулканической деятельности на фоне дополнительного его окисления появившимся в атмосфере кислородом. Наступление же Криогения было вызвано, как предполагается, распадом древнего суперконтинента Родинии, что привело к падению содержания в атмосфере углекислого газа (в ходе распада по краям разломов происходили массивные излияния базальта, который химически связывал атмосферный углекислый газ). Вызванное этим снижение концентрации парниковых газов приводило к глобальным охлаждениям Земли различного масштаба и продолжительности^[4][5][6][7].

Примечания

1. У бактерий обнаружен новый тип фотосинтеза Архивная копия от 2 февраля 2013 на Wayback Machine // elementy.ru
2. Яшма сдвинула кислородную катастрофу на 830 миллионов лет назад  (рус.). Интернет-издание N+1 (7 октября 2015). Дата обращения: 11 октября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
3. Aaron M. Satkoskia, Nicolas J. Beukesc, Weiqiang Lid, Brian L. Bearda, Clark M. Johnson. A redox-stratified ocean 3.2 billion years ago : [англ.] // Earth and Planetary Science Letters. — 2015. — Т. 430. — Bibcode: 2015E&PSL.430...43S. — doi:10.1016/j.epsl.2015.08.007.
4. «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием  (рус.). Элементы. Дата обращения: 3 мая 2020. Архивировано 28 декабря 2020 года.
5. Кислородная революция и Земля-снежок  (рус.). Элементы. Дата обращения: 3 мая 2020. Архивировано 10 марта 2021 года.
6. «Новая история происхождения жизни на Земле». Глава из книги  (неопр.). Элементы. Архивировано 10 марта 2021 года.
7. Жизнь на суше: расцвет, кризис, возрождение  (рус.). Элементы. Дата обращения: 3 мая 2020. Архивировано 10 марта 2021 года.

Ссылки

• Концентрация кислорода в атмосфере Земли доходила до 70 % (Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine) // CNews, 03.08.2010.
• Наймарк, Елена «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием  (неопр.). Элементы.ру (2 марта 2014). Архивировано 10 марта 2014 года.
• Кислородная катастрофа случилась на Земле не сразу (Архивная копия от 14 августа 2021 на Wayback Machine) // Журнал «Наука и Жизнь» № 7, 2021.
• Кислородная катастрофа на замедляющейся Земле (Архивная копия от 14 августа 2021 на Wayback Machine) // Журнал «Наука и Жизнь» № 8, 2021.
• Ученые выяснили, когда в атмосфере Земли появился первый кислород (Архивная копия от 29 сентября 2021 на Wayback Machine) // РИА Новости, 28.09.2021.
• Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event (англ.) (Архивная копия от 12 апреля 2009 на Wayback Machine) // Nature 458, 750—753 (09.04.2009).