О динамике накопления кислорода в земной атмосфере

Относительно динамики накопления кислорода в земной атмосфере существуют различные предположения [8, с.20].

Лавлок И. (1979 г.) считает, что после перехода к аэробной атмосфере произошло быстрое (в масштабах геологического времени) накопление кислорода примерно до современного уровня, который поддерживается, по крайней мере, на протяжении всего фанерозоя (около 0,6 млрд. лет). Однако наиболее распространено мнение, согласно которому количество кислорода росло хотя и быстро, но не равномерно и в течение последних 0,5 млрд. лет его масса значительно колебалась. Это представление опирается на результаты изучения скоростей формирования осадочных пород, содержащих органический углерод и карбонаты.

В настоящее время в атмосфере содержится 1,2×10²¹ г кислорода, образовавшегося почти исключительно при фотосинтезе, который в упрощенном виде может быть выражен уравнением: CO₂ + H₂O = [CH₂O] + O₂. Если принять во внимание, что в результате фотосинтеза ежегодно образуется 2,3×10¹⁷ г сухого органического вещества (Базилевич Н.И. и Родин В.А., 1971 г.), то количество выделяемого автотрофными организмами кислорода составляет примерно 2,5×10¹⁷ г. Почти все это количество кислорода расходуется при дыхании и ферментации органического вещества гетеротрофными, нефотосинтезирующими организмами, главным образом микробами.

При этом в атмосферу возвращается диоксид углерода, использованный растениями при фотосинтезе. Количество не израсходованного гетеротрофными организмами кислорода определяется массой органического вещества, поступающего в осадочные породы и на длительное время выпадающего из глобального круговорота углерода. Общее содержание органического углерода в осадочных породах составляет примерно 12,5×10²¹ г, скорость его накопления оценивается величиной (14–30) ×10¹² г×год ^-1.

Другой источник кислорода в атмосфере – фотодиссоциация молекул воды (2H₂O ® 2H₂ + O₂) – имеет пренебрежимо малое влияние на его общий баланс. Считается, что в результате фотодиссоциации образуется около 2×10¹² г кислорода в год. Таким образом, производство и потребление кислорода происходит в почти замкнутом цикле синтеза и микробиологической деструкции органического вещества в биосфере, т. е. состав атмосферы в значительной степени под контролем биоты – живого вещества планеты.

По самому своему существу кислород – очень активное вещество. Поэтому-то он и выбран живым веществом в качестве главного сообщника для извлечения энергии из питательных веществ. Но не только поэтому. Еще и из-за того, что для организма реакция окисления энергетически гораздо выгоднее, нежели реакция восстановления одного и того же количества одного и того же вещества. Так, аэробные организмы из одного моля глюкозы при помощи кислорода добывают 686 ккал тепла, а анаэробы при брожении, используя процесс восстановления – отщепления от той же глюкозы водорода, – всего только 50 ккал.

Жизнь на нашей планете была бы невозможной, если бы в атмосфере Земли с самого начала эволюции содержался свободный кислород. Удивительно, что кислородная квота в земной атмосфере как раз соответствует оптимальному уровню. Было бы его больше, как мы знаем, неприятностей не оберешься, было бы меньше – развитие жизни было бы затруднено. Большинство позвоночных животных не может жить на высотах более 2000 метров потому, что количество кислорода там на 25 процентов меньше, чем на поверхностях, не слишком возвышающихся над уровнем моря.

Природа мудро остановила бурную деятельность сине-зеленых водорослей от чрезмерного воспроизводства кислорода из первобытной атмосферы, определив разумную квоту: одну пятую (точнее, около 21 процента) от общего объема воздуха. А для того чтобы он как-нибудь ненароком где-то не выделился в чистом виде и не наделал бы бед, к каждому атому кислорода приставлена стража из четырех (78 процентов объема) атомов малоактивного азота, и в помощь этой страже придана малочисленная (около одного процента объема), но чрезвычайно стойкая и надежная, гвардия из атомов совсем уж инертного аргона. Из всех инертных газов его растворимость в воде соответствует растворимости кислорода, и поэтому аргон способен сопровождать и удерживать своего подопечного от возможных эксцессов буквально повсюду.

Достойно удивления то, что атмосфера сохраняет на протяжении миллионов лет постоянный баланс: сколько потребляется живыми существами, столько и воспроизводится, поступает в атмосферу от растительности Земли.

Укажите особенности строения сине-зеленых водорослей – первых организмов, начавших преобразование земной атмосферы…

[1] клетки содержат ограниченное оболочкой ядро, а также сложно устроенные «энергетические станции» – митохондрии;

[2] поверхность клетки представляет собой морфологическую и функциональную мозаику; обладает высокой прочностью и эластичностью;

[3] поверхность клетки не сплошная; есть многочисленные отверстия – поры, через которые с помощью ферментов внутрь клетки могут проникать ионы и мелкие молекулы;

[4] это типичные прокариотические клетки; основная особенность – отсутствие ядра, ограниченного оболочкой; последовательная информация заключена в одной хромосоме;

[5] эти делящиеся клетки бессмертны и неизменны именно в силу того, что размножаются делением того и только того живого вещества, который содержится в материальной клетке.