Вопрос на засыпку: без чего человек не проживёт и десяти минут?
Думаем, вы сразу догадались, о чём идёт речь — о воздухе. Это не одно вещество, а смесь газов: почти ⅘ всей массы воздуха составляет азот, например. А вот для жизнедеятельности многих организмов важен кислород: он позволяет нашим клеткам жить, синтезировать энергию и размножаться.
Но атмосфере нашей планеты потребовалось время, чтобы сформироваться до состояния, пригодного для дыхания. Самая первая смесь газов, образовавшая толстый слой вокруг нашей остывающей планеты около 4,6 миллиардов лет назад, мало чем отличалась от тех веществ, которые выбрасываются вулканами: она содержала много метана, сероводорода и углекислого газа.
А когда в атмосфере Земли появился кислород?
Мы до сих пор многого не знаем. Например, сколько азота обеспечил нашей планете тот ранний минеральный дождь, мы до конца не знаем. Но примерно 4,3 миллиарда лет назад адские условия на Земле наконец-то начали охлаждаться, и поток космических камней ослаб.
В водоемах скопилось достаточно воды, чтобы произошли различные геохимические реакции, в результате которых на планете образовалась густая атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа и азота. Возможно, время от времени то тут, то там возникали пузыри кислорода, выделяемого вулканической активностью, но этого просто было недостаточно. Поэтому в течение первого миллиарда лет планета оставалась практически без кислорода…
…пока не произошла Кислородная революция
Самые ранние творения биологии на Земле должны были накапливать энергию, удерживающую вместе один набор молекул, и использовать ее для создания органических материалов. Только вот вопрос: а откуда было её брать?
Факт: анаэробные организмы берут энергию не из воздуха, а из поглощаемых веществ. Самыми известными бескислородниками считаются грибы и гельминты.
В какой-то момент (возможно, в течение сотен миллионов лет после образования Земли) был найден механизм извлечения энергии солнечного света из определенных химических веществ. Эта ранняя разновидность фотосинтеза, могла возникнуть ~3 миллиарда лет назад и она дала примитивным микробам толчок в развитии, позволив им получать из углекислого газа и воды полезные вещества.
Именно этот процесс и привёл к тому, что через 600 миллионов лет атмосфера Земли из восстановительной стала окислительной. Это позволило сформировать озоновый слой, охладить планету и заставить многие организмы научиться дышать кислородом.
Но был ли кислород благом для жизни на Земле?
Теоретически, кислород — довольно реактивный элемент. Даже сегодня у нас есть специализированные ферменты для борьбы с повреждениями, которые свободный кислород может нанести нашим более хрупким органическим молекулам, таким как ДНК. Поэтому легко представить, что без приспособлений для борьбы с кислородом ранние организмы вымерли бы в огромных количествах.
Факт: кислород отвечает за горение на нашей планете, потому что именно он является отличным окислителем.
Примерно 600 миллионов лет назад концентрация молекулярного кислорода в нашей атмосфере достигла сегодняшних двадцати с лишним процентов. Этот период истории совпадает с появлением сложных живых существ — например, животных. В какой степени кислород сыграл свою роль сказать трудно, но можно сделать короткие выводы:
С одной стороны, кислород сегодня является незаменимым средством высвобождения большого количества энергии из углеводородов. Идеальное топливо для современного многоклеточного организма в движении! С другой стороны, точный порядок появления кислорода и первых сложных организмов является спорным, что делает эту взаимосвязь несколько запутанной.
Потеряет ли Земля когда-нибудь свой кислород?
Пока светит Солнце, цветут растения и идет фотосинтез, кажется, что на нашей планете всегда будет довольно приличное количество кислорода в атмосфере. Но этот баланс не является постоянным: примерно через миллиард лет солнечное излучение станет достаточно сильным, чтобы расщепить углекислый газ. Без этого газа фотосинтез остановится, а кислород уйдёт в безвоздушную среду.
Что останется на Земле к тому моменту — вопрос, который предстоит решить уже не нам, а нашим далёким потомкам. Будем надеяться, что они будут более благоразумно относиться к окружающему нас миру и спасут флору и фауну Земли от неминуемой гибели.