Геологічна історія кисню

До виникнення фотосинтезу, в атмосфері Землі не було вільного оксигену (O2). [2] Фотосинтезуючі організми прокаріоти, що в процесі життєдіяльності виробляли O2 жили за довго до першого накопичення кисню в атмосфері, [3] можливо вже 3.5 мільярди років тому. Кисень, який вони виробляли, швидко забирався з атмосфери через вивітрювання мінералів, особливо таких що містили залізо. Таке "масове іржавіння" призвело до оксиду заліза на дні океану, утворюючи залізисті кварцити. Кисень почав залишатися в атмосфері в невеликих кількостях лише 50 мільйонів років до початку великої кисневої катастрофи. [4] Така масова оксигенація атмосфери призвела до швидкого накопичення вільного кисню. При теперішніх темпах первинної продукції, сьогоднішня концентрація кисню може вироблятися за допомогою організмів, що здійснюють фотосинтез, за 2,000 років.[5] При відсутності рослин, швидкість оксигенації шляхом фотосинтезу була повільніша в докембрійському періоді, і концентрація O2 сягали менше ніж 10% сьогоднішніх і ймовірно значно коливалися; кисень міг навіть зникати із атмосфери знову близько 1.9 мільярдів років тому. [6] Такі флуктуації концентрації кисню мало впливали на тодішнє життя, оскільки масового вимирання не зафіксовано до появи складних живих організмів приблизно на початку Кембрійського періоду, 541 мільйонів років тому.[7] Така присутність O2 в атмосфері дала життю нових можливостей. Аеробний метаболізм став більш ефективним ніж анаеробний спосіб, а також наявність кисню однозначно створило нові умови для поширення життя.[8]:214, 586[9] З початку Кембрійсього періоду, концентрація атмосферного кисню змінювалася від 15% до 35% від загального об'єму атмосфери.[10] Максимум в 35% було досягнуто наприкінці Кам'яновугільного періоду (приблизно 300 мільйонів років тому), на це могло вплинути велика кількість комах і амфібій в той час.[9] У часи людської діяльності, такої як спалювання горючих копалин, змінювалася відносна концентрація двоокису вуглецю, в той час як вплив на концентрацію кисню не такий значний.[11]

Приріст O2 в атмосфері Землі. Червона і зелена лінії показують діапазон значень, в той час як шкала часу має вимір в мільярди років тому (Ga).
Стадія 1 (3.85–2.45 Ga): Практично немає O2 в атмосфері.
Стадія 2 (2.45–1.85 Ga): O2 вироблявся, але поглинався океанами і скелями.
Стадія 3 (1.85–0.85 Ga): O2 починає виділятися в вигляді газу з океанів, але поглинається поверхнями землі і формує озонний шар.
Стадії 4 і 5 (0.85 Ga–до теперішнього): Поглиначі O2 наповнені, газ накопичується.[1]

Вплив на життя

Накопичення кисню в атмосфері часто вважають можливою причиною при великомасштабних подіях в еволюції живого, таких як поява багатоклітинних організмів і едіакарської фауни, з кембрійським вибухом, тенденціями в змінах розміру тіл тварин, а також з іншими подіями зникнення і появи видів.[9]

Великий розмір комах і амфібій в Кам'яновугільний період, коли концентрацію кисню в атмосфері сягала 35%, пов'язують із граничною роллю дифузії в метаболізмі цих організмів. Але Холдейн в своєму есе[12] вказує на те, що це буде справедливим лише для комах. Однак, біологічна основа для такої кореляції не є твердо доведеною, і багато ліній доказів показують, що концентрація кисню не є обмежувачем у розмірах сучасних комах.[9] Немає чіткої кореляції між атмосферним киснем і максимальним розміром тіла де-небудь в геологічних літописах.[9] Екологічні обмеження можуть краще пояснити мініатюрний розмір метеликів в пост-кам'яновугільний період - наприклад, поява літаючих конкурентів, таких як птерозаври, птахи і кажани.[9]

Підвищення концентрації кисню називають джерелом різноманітності еволюції, хоча фізіологічні аргументи таких тверджень піддаються сумнівам, і взаємозв'язок між зміною концентрації кисню і темпами еволюції не однозначний.[9] Найбільш відомий факт зв'язку між киснем і еволюцією відбувався наприкінці останнього зледеніння Землі-сніжки, де вперше знайдені залишки складного багатоклітинного життя. В період низької концентрації кисню і до еволюції в фіксації азоту, біологічно-доступні сполуки азоту були в обмеженій кількості [13] і періодичні "азотні кризи" могли вплинути на те що океан був негостинним для життя.[9] Значні концентрації кисню були лише однією з передумов для еволюції складного життя.[9] Моделі, що засновані на уніформіських принципах (тобто екстраполяція динаміки теперішнього океану на глибоке минуле) припускають, що така концентрація була досягнута лише не задовго до першої появи метазою в скам'янілих рештках.[9] Далі, безкисневі або іншими словами хімічно "неблагоприємні" океанічні умови, які схожі на ті, що перешкоджали макроскопічному життю з інтервалами повторно виникають під час раннього Кембрію, а також в пізньому Крейдяному періоді – без видимого впливу на форми життя того часу.[9] Це дає підставу припускати, що геохімічні свідчення знайдені в океанічних відкладеннях зображають тодішню атмосферу по іншому в докембрійський період - можливо в результаті фундаментально відмінного кругообігу поживних речовин при відсутніх тваринах, що живляться планктоном.[7][9]

Примітки
  1. http://rstb.royalsocietypublishing.org/content/361/1470/903.full.pdf
  2. Zimmer, Carl (3 жовтня 2013). Earth’s Oxygen: A Mystery Easy to Take for Granted. New York Times. Процитовано 3 жовтня 2013.
  3. Dutkiewicz, A.; Volk, H.; George, S. C.; Ridley, J.; Buick, R. (2006). Biomarkers from Huronian oil-bearing fluid inclusions: an uncontaminated record of life before the Great Oxidation Event. Geology 34 (6): 437. Bibcode:2006Geo....34..437D. doi:10.1130/G22360.1.
  4. Anbar, A.; Duan, Y.; Lyons, T.; Arnold, G.; Kendall, B.; Creaser, R.; Kaufman, A.; Gordon, G.; Scott, C.; Garvin, J.; Buick, R. (2007). A whiff of oxygen before the great oxidation event?. Science 317 (5846): 1903–1906. Bibcode:2007Sci...317.1903A. PMID 17901330. doi:10.1126/science.1140325.
  5. Dole, M. (1965). The Natural History of Oxygen. The Journal of General Physiology 49 (1): Suppl:Supp5–27. PMC 2195461. PMID 5859927. doi:10.1085/jgp.49.1.5.
  6. Frei, R.; Gaucher, C.; Poulton, S. W.; Canfield, D. E. (2009). Fluctuations in Precambrian atmospheric oxygenation recorded by chromium isotopes. Nature 461 (7261): 250–253. Bibcode:2009Natur.461..250F. PMID 19741707. doi:10.1038/nature08266. Загальний огляд.
  7. Butterfield, N. J. (2007). Macroevolution and macroecology through deep time. Palaeontology 50 (1): 41–55. doi:10.1111/j.1475-4983.2006.00613.x.
  8. Freeman, Scott (2005). Biological Science, 2nd. Upper Saddle River, NJ: Pearson – Prentice Hall. с. 214, 586. ISBN 0-13-140941-7.
  9. Butterfield, N. J. (2009). Oxygen, animals and oceanic ventilation: An alternative view. Geobiology 7 (1): 1–7. PMID 19200141. doi:10.1111/j.1472-4669.2009.00188.x.
  10. Berner, R. A. (Sep 1999). Atmospheric oxygen over Phanerozoic time (Free full text). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 96 (20): 10955–10957. Bibcode:1999PNAS...9610955B. ISSN 0027-8424. PMC 34224. PMID 10500106. doi:10.1073/pnas.96.20.10955.
  11. Emsley, John (2001). Oxygen. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. с. 297–304. ISBN 0-19-850340-7.
  12. J.B.S. Haldane in "On Being the Right Size" paragraph 7
  13. Navarro-González, Rafaell; McKay, Christopher P.; Nna Mvondo, Delphine (Jul 2001). A possible nitrogen crisis for Archaean life due to reduced nitrogen fixation by lightning. Nature 412 (5 July 2001): 61–64. PMID 11452304. doi:10.1038/35083537.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.