У ранніх океанах і навіть у атмосфері молодої Землі був вільного кисню, хоча з допомогою фотосинтезу ціанобактерії і продукували його як побічний продукт метаболізму. Вільний кисень не вступає у взаємодію Космосу з іншими поширеними на планеті елементами, такими як азот або вуглець, а ось людині він життєво необхідний. Вчені підрахували, що невеликі «кишені» вільного кисню почали з'являтися на Землі приблизно три мільярди років тому, а близько 2,4 мільярда років тому рівень кисню в атмосфері різко збільшився: за 200 мільйонів років кисню побільшало в 10 000 разів! Цю подію дослідники охрестили Кисневою катастрофою(Great Oxidation Event, букв. Велике окиснення) і саме воно повністю змінило характер поверхневих хімічних реакцій Землі.
Киснева революція: Земля, що перетворилася
Геолог з Університету Британської Колумбії Меттіс Сміт (Matthijs Smit) та його колега, професор Клаус Мезгер (Klaus Mezger) з Університету Берна, присвятили нову роботу дослідженню цього феномену. Знаючи, що Киснева катастрофа також трансформувала і породи, з яких складаються континенти, вчені почали вивчати результати геохімічного аналізу вулканічної активності по всьому світу, що врешті-решт дозволило відібрати 48 000 зразків, вік яких обчислюється мільярдами років.
У своєму прес-релізі Сміт зазначає, що з того моменту, як в океані почав з'являтися вільний кисень, у складі континентів відбулися приголомшливі зміни. Гірські породи на території сучасної Ісландії та Фарерських островів за складом приблизно схожі на ті, що були на молодій Землі до Кисневої катастрофи: вони багаті на магній, а ось вміст кремнезему в них досить низький. Породи минулого містили мінеральний олівін, який ініціював кисневі хімічні реакції при контакті з водою У міру того, як континентальна кора розвивалася і збільшувалася в розмірах, олівін практично зник, і з ним припинилися реакції. Кисень почав накопичуватися в океанах, а коли вода наситилася ним, то газ став іти й у атмосферу.
Сміт упевнений, що саме це стало відправною точкою для розвитку життєвих форм такими, якими ми їх знаємо сьогодні. Після насичення киснем Земля стала не тільки більш придатною для життя в цілому, а й куди краще підходить для розвитку складних організмів. Причина змін континентальної структури поки що залишається невідомою, але вчені відзначають, що тектоніка плит почалася приблизно в цей період, а тому між цими подіями може бути прямий зв'язок.
Значення відкриття
Не йдеться про еволюцію та абіогенез — питання початкового зародження життя на Землі все ще залишаються відкритими. Проте кисень — найважливіший елемент, який би існування білкового життя. Знаючи, як він змінив Землю, вчені зможуть застосувати той самий принцип у дослідженні екзопланеті в майбутньому вибрати для людства ідеальну планету для заселення: наприклад, вже зараз астрономи підозрюють, що дві планети у системі TRAPPIST-1 покриті величезними океанами. Знаючи, як кисень впливає на формування континентів, можна буде значно звузити коло пошуків та цілеспрямовано шукати максимально підходящий нам новий світ.
Примітки
Посилання
- - Nature 458, 750-753 (09.04.2009)(Англ.)
- - CNews, 03.08.2010
- Наймарк, Олена. elementy.ru (2.03.14). .
| Катастрофи | Це незавершена стаття про катастрофу. Ви можете допомогти проекту, доповнивши її. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Уривок, що характеризує Киснева катастрофа
Катар.Есклармонд тихо лежала на ліжку. Її очі були заплющені, здавалося, вона спала, змучена втратами... Але я відчувала – це був лише захист. Вона просто хотіла залишитися одна зі своїм сумом... Її серце нескінченно страждало. Тіло відмовлялося коритися... Тільки якісь лічені миті тому її руки тримали новонародженого синочка... Обіймали чоловіка... Тепер же вони пішли в невідомість. І ніхто не міг з упевненістю сказати, чи вдасться їм уникнути ненависті «мисливців», що заполонили підніжжя Монтсегюра. Та й усю долину, скільки охоплювало око... Фортеця була останнім оплотом Катар, після неї вже нічого не залишалося. Вони зазнали повної поразки... Змучені голодом і зимовими холодами, вони були безпорадні проти кам'яного «дощу» катапульт, що з ранку до ночі сипалися на Монтсегюр.
- Скажи, Північ, чому Вчинені не захищалися? Адже, наскільки мені відомо, ніхто краще за них не володів «рухом» (думаю, мається на увазі телекінез), «подувом» і ще багатьом іншим. Чому вони здалися?
- На це є свої причини, Ізідоро. У перші напади хрестоносців Катари ще не здавалися. Але після повного знищення міст Албі, Безье, Мінерви та Лавура, в яких загинули тисячі мирних жителів, церква вигадала хід, який просто не міг не спрацювати. Перед тим, як напасти, вони оголошували Досконалим, що якщо вони здадуться, то не зачепить жодної людини. І, звісно ж, Катари здавались... З того дня почали палахкотіти по всій Окситанії багаття Вчинених. Людей, що присвятили все своє життя Знанню, Світлу та Добру, спалювали, як сміття, перетворюючи красуню Окситанію на випалену багаттями пустелю.
Дивись, Ізидоро... Дивись, якщо бажаєш побачити правду...
Мене охопив справжній священний жах!.. Бо те, що показував мені Північ, не вміщалося в рамки нормального людського розуміння!.. Це було Ад, якщо воно колись по-справжньому існувало десь...
Тисячі вбраних у блискучі обладунки лицарів-вбивць холоднокровно вирізали людей, що кидаються в жаху, – жінок, старих, дітей... Усіх, хто потрапляв під сильні удари вірних прислужників «всепрощаючої» католицької церкви... Молоді чоловіки, які намагалися чинити опір, тут же падали , зарубані довгими лицарськими мечами Скрізь лунали несамовиті крики... дзвін мечів приголомшував. Стояв задушливий запах диму, людської крові та смерті. Лицарі нещадно рубали всіх: чи то новонароджене немовля, якого, благаючи про пощаду, простягала нещасна мати... або був немічний старий... Всі вони тут же нещадно зарубалися до смерті... ім'ям Христа!!! Це було святотатством. Це було настільки дико, що у мене на голові по-справжньому ворушилося волосся. Я тремтіла всім тілом, не в змозі прийняти або просто осмислити те, що відбувається. Дуже хотілося вірити, що то сон! Що такого насправді бути не могло! Але, на жаль, це все ж таки була реальність...
ЯК могли вони пояснити звернення, що відбувається?!! ЯК могла римська церква ПРОЩАТИ (???) таким, що чинить такий страшний злочин?!
Ще перед початком Альбігойського хрестового походу, в 1199 році, Папа Інокентій III «милостиво» заявив: «Будь-який, хто сповідує віру в бога, що не співпадає з церковною догмою, повинен бути спалений без найменшого на те жалю». Хрестовий похід на Катар називався «За справу миру та віру»! (Negotium Pacis et Fidei)...
Прямо біля вівтаря, красивий молодий лицар намагався розмозжити череп літньому чоловікові... Людина не вмирала, її череп не піддавався. Молодий лицар спокійно і методично продовжував лупити, поки людина нарешті не смикнувся і не затих - його товстий череп, не витримавши, розколовся.
Обійнята жахом юна мати, в благанні простягла дитину - через секунду, у неї в руках залишилися дві рівні половинки.
Маленьке кучеряве дівчисько, плачучи з переляку, віддавало лицарю свою ляльку – найдорожчий свій скарб... Голова ляльки легко злетіла, а за нею м'ячиком покотилася по підлозі і голова господині...
Не витримавши більше, гірко ридаючи, я впала на коліна... Чи це були ЛЮДИ?! ЯК можна було назвати людину, що вершила таке зло?!
Я не хотіла дивитися це далі!.. У мене більше не залишалося сил... Але Північ безжально продовжувала показувати якісь міста, з палаючими в них церквами... Ці міста були зовсім порожні, крім тисяч трупів, кинутих прямо на вулицях, і річок людської крові, що розлилися, потопаючи в якій бенкетували вовки... Жах і біль скували мене, не даючи хоч на хвилину вдихнути. Не дозволяючи ворухнутися.
Що ж мали відчувати «люди», що віддавали подібні накази??? Думаю, вони не відчували нічого взагалі, бо чорними-чорними були їхні потворні, черстві душі.
Раптом я побачила дуже гарний замок, стіни якого місцями були пошкоджені катапультами, але в основному замок залишався цілим. Весь внутрішній двір був валом завалений трупами людей, що потопали в калюжах власної та чужої крові. У всіх було перерізане горло.
Після першого стрибка кисню в земній атмосфері його рівень сильно впав, тому еволюції довелося почекати більше мільярда років, щоб почати створювати нові, «кисневі» форми життя.
Мільярди років тому в атмосфері Землі не було ніякого кисню, і створювати його ніхто не вмів - бактерії та архебактерії, що жили на той час, хоча і були фотосинтетиками, кисень при цьому не виділяли. Але десь 2,3 млрд. років тому сталося те, що називають кисневою катастрофою. Сталася вона через те, що ціанобактерії навчилися кисневому фотосинтезу. З того часу Земля, як кажуть, вже ніколи не була колишньою, тому що на ній радикально змінилася атмосфера, і ті організми, які добре почували себе в безкисневій атмосфері, були змушені піти у підпілля, поступившись «кисневим» формам життя.
Проте, попри зміни у складі атмосфери, життя Землі розвиватися не поспішала. Різноманітність і складність живих організмів чекали на другий кисневий стрибок, який стався 800 млн років тому. При цьому вважається, що рівень кисню в цей період, якщо і не зростав, залишався постійним і досить високим. Але якщо все було так, то чому еволюція взяла такий великий таймаут? За однією з гіпотез, затримка була викликана малою доступністю мікроелементів, необхідні роботи ферментів, і лише внаслідок подальших геохімічних процесів ці мікроелементи стали доступні живим клітинам. За іншою версією, такий довгий проміжок часу був потрібний організмам, щоб створити та відрегулювати молекулярно-генетичні механізми, що дозволяють існувати в нових умовах. Проте, на думку Ноа Плаванаскі ( Noah J. Planavsky) та його колег із Каліфорнійського університету в Ріверсайді, жодних переконливих доказів таким гіпотезам немає. Зате є докази для іншого сценарію, який дослідники описують у своїй статті у Nature.
Раніше висновки склад древньої атмосфери грунтувалися на даних хімічного аналізу осадових порід, відповідних періоду кисневої катастрофи. В результаті виходило, що рівень кисню в період між першим кисневим вибухом і другим (тобто між 2,3 млрд і 800 млн років тому) становив приблизно 40% від нинішнього, тобто досить багато. Однак ці способи аналізу не дозволяли побачити можливі коливання у вмісті кисню. Щоб виявити такі коливання, дослідники вирішили оцінити, з якою інтенсивністю на той час відбувалося переміщення із суші до океану ізотопів хрому. Попадання хрому в океан можливе лише у складі водорозчинних сполук шестивалентного хрому, а перетворення тривалентного хрому на шестивалентій залежить від вмісту кисню в атмосфері. При цьому важкий ізотоп 53 Cr активніше взаємодіє з киснем, ніж 52 Cr, так що за їх співвідношенням можна побачити коливання рівня кисню, що мали місце у найдавніші епохи. В океані хром реагує із залізом і осідає у залізних рудах.
Виявилося, що протягом загадкового періоду «мовної еволюції» вміст кисню в атмосфері було насправді невеликим - всього 0,1% від нинішньої його концентрації. Тобто рівень кисню сильно просів майже відразу після першого різкого його підвищення, що сталося 2,3 млрд. років тому. І наступний значний стрибок кисню стався вже 800 млн років тому. Тобто життя на Землі мали всі причини залишатися у відносній сплячці. Коротко про результати роботи пише NatureNews.
Звичайно, це дослідження лише констатує факт того, що рівень кисню впав після першого стрибка нагору. Чому саме він упав, куди подівся кисень з атмосфери на цілий мільярд років, ми поки що можемо тільки гадати. З іншого боку, слід пам'ятати, що навіть після другого кисневого стрибка еволюційний двигун не відразу запрацював на повну силу, і знадобилося ще 260 млн років, щоб стався кембрійський вибух, коли за короткий час утворилося безліч нових форм життя. Можливо, у період перед кембрійським вибухом саме й відбувалися остаточні молекулярно-генетичні зміни, що дозволяють організмам використати всі переваги кисневої атмосфери.
Киснева катастрофа (киснева революція) - глобальна зміна складу атмосфери Землі, що відбулося в кінці архею - початку протерозою, близько 2,4 млрд років тому (період сидерій). Результатом Кисневої катастрофи стала поява у складі атмосфери вільного киснюта зміна загального характеру атмосфери з відновлювального на окисний. Припущення про кисневу катастрофу було зроблено на основі вивчення різкої зміни характеру осадокопичення.
До значного підвищення вмісту кисню в атмосфері майже всі існуючі форми життя були анаеробами, тобто обмін речовин живих формах залежав від форм клітинного дихання, які вимагали кисню. Доступ кисню у великих кількостях згубний більшість анаеробних бактерій, у цей час більшість живих організмів Землі зникла. Форми життя, що залишилися, були або несприйнятливі до окислення і згубного впливу кисню, або проводили свій життєвий цикл у середовищі, позбавленому кисню.
Накопичення O 2 в атмосфері Землі:
1. (3.85-2.45 млрд років тому) - O 2 не вироблявся
2. (2.45-1.85 млрд років тому) O 2 вироблявся, але поглинався океаном та породами морського дна
3. (1.85-0.85 млрд років тому) O 2 виходить з океану, але витрачається при окисленні гірських порід на суші та при утворенні озонового шару
4. (0.85-0.54 млрд років тому)
5. (0.54 млрд років тому-по теперішній час) резервуари O 2 заповнені і починається накопичення в атмосфері
Первинний склад атмосфери протерозою
Точний склад первинної атмосфери Землі на сьогоднішній день невідомий, проте вважається загальновизнаним, що вона сформувалася внаслідок дегазації мантії та мала відновлювальний характер. Основу її становили вуглекислий газ, сірководень, аміак, метан. На користь цього свідчать:
- неокислені відкладення, що утворилися явно на поверхні (наприклад, річкова галька з нестійкого до кисню піриту);
- відсутність відомих значущих джерел кисню та інших окислювачів;
- вивчення потенційних джерел первинної атмосфери (вулканічні гази, склад інших небесних тіл)
Причини кисневої катастрофи
Єдиним значущим джерелом молекулярного кисню є біосфера, точніше, фотосинтезуючіорганізми. З'явившись на самому початку існування біосфери, фотосинтезуючі архебактеріївиробляли кисень, який практично відразу витрачався на окиснення гірських порід, розчинених сполук та газів атмосфери. Висока концентрація створювалася лише локально, в межах бактеріальних матів(т. н. «кисневі кишені»). Після того, як поверхневі породи та гази атмосфери виявилися окисленими, кисень почав накопичуватися в атмосфері у вільному вигляді.
Крім того, одним із ймовірних факторів, що вплинули на зміну мікробних угруповань, була зміна хімічного складу океану. Так, по одній із гіпотез, функціонування давніх бактеріальних матів могло бути придушене зниженням концентрації нікелю, що відіграють важливу роль у метаногенезі. Зниження концентрації цього та інших речовин могло бути спричинене згасанням вулканічної активності.
Наслідки кисневої катастрофи
Біосфера
Оскільки переважна частина організмів того часу була анаеробної, нездатною існувати при значних концентраціях кисню, відбулася глобальна зміна угруповань: анаеробніспільноти змінилися аеробними, обмеженими раніше лише «кисневими кишенями»; анаеробніж спільноти, навпаки, виявилися відтіснені в анаеробнікишені» (образно кажучи, «атмосфера вивернулася навиворіт»). Надалі наявність молекулярного кисню в атмосфері призвело до формування озонового екрану, що істотно розширило межі біосфери і призвело до поширення більш енергетично вигідного (порівняно з анаеробним) кисневого дихання.
Літосфера
Внаслідок кисневої катастрофи практично всі метаморфічніі осадові породи, що становлять більшу частину земної кори, є окисленими.
Сідерій (від ін.-грец.σίδηρος - залізо) - геологічний період, частина палеопротерозою. Охоплює часовий період від 2,5 до 2,3 мільярда років тому. Датування чисто хронологічне, не засноване на стратиграфії.
На початок цього періоду припадає пік появи залізовмісніх порід. Вони формувалися в умовах, коли анаеробні водоростівиробляли відпрацьований кисень, який, змішуючись із залізом, утворював магнетит(Fe 3 O 4 , оксид заліза). Цей процес вичищав залізо з океанів. Зрештою, коли океани припинили поглинати кисень, процес призвів до утворення насиченої киснем. атмосферими маємо на сьогоднішній день.
Атмосфера
Внаслідок зміни хімічного складу атмосфери після кисневої катастрофи змінилася її хімічна активність, сформувався озоновий шар, різко зменшився парниковий ефект. Як наслідок, планета вступила в епоху Гуронського заледеніння.
Гуронське заледеніння
Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Гуронське заледеніння - найдавніше і найтриваліше заледеніння Землі. Почалося і закінчилося в епоху палеопротерозою, Тривало близько 300 млн. років.
Причини заледеніння
1. Першопричиною гуронського заледеніння була киснева катастрофа, при якій в атмосферу Землі надійшла велика кількість кисню, виробленого фотосинтезуючимиорганізмами. Метан, який раніше був присутній в атмосфері у великих кількостях і давав основний внесок у парниковий ефект, з'єднався з киснем і перетворився на вуглекислий газта воду. Зміни складу атмосфери, своєю чергою, призвели до скорочення чисельності метаногенівщо викликало додаткове зниження рівня метану
2. Колосальний масштаб і тривалість Гуронського заледеніння можуть бути пов'язані також з так званим парадоксом слабкого молодого Сонця.
3. Теорія «Земля-сніжок» (англ. Snowball Earth) - гіпотеза , Що передбачає, що Землябула повністю покрита льодомв частини кріогенійськогоі едіакарськогоперіодів Неопротерозойськийери, і, можливо, в інші геологічні епохи. Пояснює похолодання розчиненням вуглекислого газу C O 2 в океанах і перетворення його на вапняки Ca C O 3
4. Зосередження континентів у формі суперконтиннту Батьківщина та виникнення крижаного щита, подібного до Антарктиди.
Киснева катастрофа – глобальна зміна складу атмфосфери Землі, що сталася близько 2,4 млрд років тому, на початку протерозойської ери, і результатом якої стала поява в атмосфері вільного кисню. 8 той період характер атмосфери змінився р відновлювального на окисний. Теорія кисневої катастрофи виникла на основі даних
У первинній атмосфері Землі нарешті з'явилися молекули вільного кисню, а сама вона змінила свій характер із відновного на окисний. За неповних 200 млн. років концентрація кисню в протерозойській атмосфері зросла в 15 разів.
Припущення про кисневу катастрофу було зроблено на основі вивчення різкої зміни характеру накопичення опадів. З біологічної точки зору необхідним рівнем вмісту вільного кисню в атмосфері вважається так звана точка Пастера, тобто близько 0,01 кількості кисню в сучасній атмосфері. Справа в тому, що тільки при такому атмосферному стані живі організми можуть перейти від використання результатів процесів ферментативного бродіння до більш ефективного окислення енергетично під час дихання. У протерозойську епоху було досягнуто точка Пастера, а й значно подолано цей своєрідний біологічний бар'єр, що сприяло справжньому еволюційному вибуху – масового поширення та розвитку практично всіх типів живих істот на планеті.
Завдяки появі значних обсягів кисню, в атмосфері та гідросфері Землі була забезпечена стійка життєдіяльність одноклітинних аеробних організмів, які раніше могли розвиватися тільки в так званих кисневих кишенях. Чому ж вміст кисню в атмосфері протерозойської епохи так різко виріс? Не секрет, що головним постачальником його були фотосинтезуючі рослини та бактерії, що виникли ще в архейську еру. Хоча спочатку обсяг виробленого ними кисню в атмосфері та гідросфері планети практично не зростав, він відразу витрачався на окиснення гірських порід, розчинених сполук та газів атмосфери. Коли всі поверхневі породи та гази земної атмосфери виявилися окисленими, кисень поступово почав накопичуватися вже у вільному вигляді. У протерозойський етап історії Землі концентрація кисню внаслідок життєдіяльності бактерій зрештою перевищила 1% сучасного стану. Вміст вуглекислого газу поступово знижувалося внаслідок витрат вуглекислоти у процесі фотосинтезу водоростей.
Отже, киснева катастрофа мала великі наслідки для еволюції живих істот. Атмосфера і гідросфера нашої планети складаються з легких і летких речовин, вміст яких Землі менше, ніж у космічному просторі. При формуванні Землі ці леткі сполуки перебували у складі твердих речовин, зокрема азот – у нітридах, кисень – в оксидах металів.
У процесі активної вулканічної діяльності ще догеологічний період історії Землі відбувалося виплавлення базальтів, пари і газів з верхньої мантії. Як показали дослідження, сучасні вулкани виділяють переважно водяну пару, а також вуглекислий газ, хлор, метан та інші компоненти. Але за більш високих температурах крім пари в атмосферу викидаються звані кислі дими – сполуки сірки, борна кислота і солі амонію. Очевидно, первинна атмосфера Землі сформувалася саме в результаті дегазації мантії, а її основу склали вуглекислий газ, сірководень, аміак і метан.
Щоб оцінити зміни, що відбулися з атмосферою та гідросферою Блакитної планети в епоху протерозою, необхідно повернутися до складу первинної атмосфери. Вивчення вмісту газових бульбашок у найдавніших архейських кварцитах Курумканської почту Алданського щита дозволило вченим уточнити склад первинної атмосфери Землі.
У цих бульбашках зовсім відсутній вільний кисень, у складі 60 % займає вуглекислий газ, і приблизно 35 % – сірководень, оксид сірки, аміак і кислі дими. Очевидно, що ці компоненти надходили на поверхню Землі при дегазації лав і таким чином склали її первинну, надзвичайно тонку оболонку. Температура такої атмосфери на поверхні планети в середньому становила 15 °С. Водяні пари вулканічних газів конденсувалися і перетворювалися на рідку воду. Так формувалася гідросфера Землі. На планеті почав утворюватися первинний океан, куди переходили, розчиняючись у воді, складові вулканічних газів. У догеологічний і архейський етапи історії планети води в океанах було ще недостатньо, щоб покривати серединно-океанські хребти. Тільки протерозої рівень океану нарешті досяг їх вершин. 
Крім атмосферних вулканічних газів, здатних розчинятися у воді, склад первинного океану поповнювався за рахунок гірських порід, що піддавалися на поверхні суші та на дні моря руйнівному впливу сонячного випромінювання та ерозії.
Як з'явився в атмосфері та гідросфері Землі кисень? Вважається, що його молекули могли утворюватися після розкладання невеликої частки молекул водяної пари під впливом жорсткої компоненти сонячного випромінювання. Проте обсяги кисню, що виділявся в процесі цієї реакції, повинні були бути дуже незначними, так як газ сам поглинав ультрафіолетове випромінювання, що розщеплює молекули води.
Таким чином, вміст необхідного для життя хімічного елемента в атмосфері архею було мінімальним – набагато менше однієї тисячної відсотка сучасного рівня. При цьому практично всі молекули, що формувалися, швидко витрачалися на окислення атмосферних газів. Тонка первинна атмосфера без кисню не могла захистити планету від жорсткого випромінювання Сонця, що визначало біологічну різноманітність Землі.
На початок протерозою кількість води Землі продовжувало збільшуватися – утворився єдиний Світовий океан. Але при цьому відзначалося різке зменшення концентрації діоксиду вуглецю у ранньопротерозойській атмосфері. А вміст кисню в атмосфері і гідросфері планети продовжував залишатися вкрай низьким - всього 1% від сьогоднішнього рівня.
Передбачається, що в цей період у мантії Землі ще зберігалося 4-6% металевого заліза, що грав роль потужного поглинача кисню. Цей тривалентний хімічний елемент, нерозчинний у воді, під дією кисню випадав осад і накопичувався разом із кремнеземом у величезних покладах залізних руд, відомих нам сьогодні. Таким чином, у ранньому протерозої атмосфера нашої планети в основному складалася лише з азоту з невеликими добавками водяної пари, аргону, діоксиду вуглецю та кисню. Найважливішою подією у протерозої стала киснева катастрофа. Під цією назвою в історію Землі увійшла революційна подія, що сталася 2,4 млрд. років тому. Атмосфера нашої планети тим часом масштабно наповнюється киснем.
