Геологическая история кислорода
1 этап (3,85–2,45 млрд лет): О 2 в атмосфере практически отсутствует.
Стадия 2 (2,45–1,85 млрд лет): O 2 вырабатывается, но поглощается океанами и породами морского дна.
Стадия 3 (1,85–0,85 млрд лет): O 2 начинает выделяться из океанов, но поглощается поверхностью суши и образует озоновый слой.
Стадии 4 и 5 (0,85 млрд лет – настоящее время): стоки O 2 заполняются, газ накапливается. [1]
До фотосинтеза появления в атмосфере Земли не было свободного кислорода (O 2 ). [2] Небольшие количества кислорода были выделены геологическими [3] и биологических процессов, но не накапливался в атмосфере за счет реакций с восстанавливающими минералами.
Кислород начал накапливаться в атмосфере примерно 1,85 млрд лет назад. При нынешних темпах первичного производства сегодняшняя концентрация кислорода могла бы производиться фотосинтезирующими организмами через 2000 лет. [4] В отсутствие растений скорость производства кислорода посредством фотосинтеза в докембрии была медленнее , а достигнутые концентрации О 2 были менее 10% от сегодняшних и, вероятно, сильно колебались.
Увеличение концентрации кислорода оказало широкомасштабное и существенное влияние на жизнь. Самое главное, что появление кислорода вызвало массовое вымирание анаэробных микробов и открыло путь к многоклеточной жизни.
Перед Великим событием окисления [ править ]
Фотосинтезирующие прокариотические организмы, производящие O 2 в качестве отходов, жили задолго до первого накопления свободного кислорода в атмосфере. [5] возможно, уже 3,5 миллиарда лет назад. Кислород, который они производили, должен был быть быстро удален из океанов в результате выветривания восстанавливающих минералов. [ нужна ссылка ] особенно железо . [1] Это ржавление привело к отложению оксида железа на дне океана, образуя полосчатые железные образования . Таким образом, океаны заржавели и стали красными. Кислород начал сохраняться в атмосфере в небольших количествах только примерно за 50 миллионов лет до начала Великого оксигенационного события . [6]
Влияние на жизнь [ править ]
−4500 — – — – −4000 — – — – −3500 — – — – −3000 — – — – −2500 — – — – −2000 — – — – −1500 — – — – −1000 — – — – −500 — – — – 0 — |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ранние колебания концентрации кислорода практически не влияли на жизнь, а массовое вымирание наблюдалось лишь в начале кембрийского периода, 538,8 миллиона лет назад . [7] Наличие О
2 предоставил жизни новые возможности. Аэробный метаболизм более эффективен, чем анаэробный, а присутствие кислорода открыло новые возможности для изучения жизни. [8] [9] С начала кембрийского периода концентрация кислорода в атмосфере колебалась от 15% до 35% объема атмосферы. [10] Окаменелый уголь возрастом 430 миллионов лет, образовавшийся в результате лесных пожаров, показывает, что уровни кислорода в атмосфере в силурийском периоде должны были быть эквивалентны нынешним уровням или, возможно, превышать их. [11] Максимум в 35% был достигнут к концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад), пик, который, возможно, способствовал большому размеру различных членистоногих , включая насекомых, многоножек и скорпионов. [9] Хотя деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива , влияет на относительную концентрацию углекислого газа, ее влияние на гораздо большую концентрацию кислорода менее значительно. [12]
Великое событие оксигенации оказало первое серьезное влияние на ход эволюции. Из-за быстрого накопления кислорода в атмосфере многие организмы, жизнь которых не зависела от кислорода, вымерли. [9] Концентрацию кислорода в атмосфере часто называют возможным фактором крупномасштабных эволюционных явлений, таких как Авалонский взрыв , Кембрийский взрыв , тенденции изменения размеров тел животных, [13] и другие события диверсификации и исчезновения. [9]
Данные показывают увеличение биообъема вскоре после Великого события оксигенации более чем в 100 раз и умеренную корреляцию между атмосферным кислородом и максимальным размером тела на более позднем этапе геологической летописи. [13] Крупные размеры многих членистоногих в каменноугольный период , когда концентрация кислорода в атмосфере достигала 35%, объясняют лимитирующей ролью диффузии в метаболизме этих организмов. [14] Но эссе Дж.Б.С. Холдейна [15] указывает, что это применимо только к насекомым. Однако биологическая основа этой корреляции не является прочной, и многие данные показывают, что концентрация кислорода не является ограничивающим фактором для размеров современных насекомых. [9] Экологические ограничения могут лучше объяснить миниатюрные размеры стрекоз посткаменноугольного периода – например, появление летающих конкурентов, таких как птерозавры , птицы и летучие мыши. [9]
Рост концентрации кислорода называют одним из нескольких факторов эволюционного разнообразия, хотя физиологические аргументы, лежащие в основе таких аргументов, сомнительны, а устойчивая закономерность между концентрацией кислорода и скоростью эволюции неочевидна. [9] Самая знаменитая связь между кислородом и эволюцией возникла в конце последнего из оледенений Земли-снежка , когда в летописи окаменелостей впервые была обнаружена сложная многоклеточная жизнь. При низких концентрациях кислорода и до появления азотфиксации запасы биологически доступных соединений азота были ограничены. [16] а периодические «азотные кризисы» могут сделать океан непригодным для жизни. [9] Значительные концентрации кислорода были лишь одной из предпосылок эволюции сложной жизни. [9] Модели, основанные на униформистских принципах (т. е. экстраполяция современной динамики океана в глубокое время), предполагают, что такая концентрация была достигнута только непосредственно перед тем, как многоклеточные животные впервые появились в летописи окаменелостей. [9] Кроме того, бескислородные или иным образом химически «негостеприимные» океанические условия, которые напоминают те, которые, как предполагается, подавляют макроскопическую жизнь, периодически повторяются в раннем кембрии, а также в позднем меловом периоде - без видимого воздействия на формы жизни в это время. [9] Это может свидетельствовать о том, что геохимические признаки, обнаруженные в океанских отложениях, по-другому отражают атмосферу до кембрия – возможно, в результате фундаментально другого способа круговорота питательных веществ в отсутствие планктофагов. [7] [9]
Богатая кислородом атмосфера может выделять фосфор и железо из горных пород в результате выветривания, и эти элементы затем становятся доступными для существования новых видов, метаболизм которых требует этих элементов в виде оксидов. [2]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Голландия, HD (2006). «Окисление атмосферы и океанов» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 361 (1470): 903–915. дои : 10.1098/rstb.2006.1838 . ПМЦ 1578726 . ПМИД 16754606 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). «Кислород Земли: загадка, которую легко принять как должное» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 3 октября 2013 г.
- ^ Стоун, Джордан; Эдгар, Джон О.; Гулд, Джейми А.; Теллинг, Джон (8 августа 2022 г.). «Тектонически обусловленное производство окислителей в горячей биосфере» . Природные коммуникации . 13 (1): 4529. Бибкод : 2022NatCo..13.4529S . дои : 10.1038/s41467-022-32129-y . ISSN 2041-1723 . ПМК 9360021 . ПМИД 35941147 .
- ^ Доул, М. (1965). «Естественная история кислорода» . Журнал общей физиологии . 49 (1): Приложение:Приложение 5–27. дои : 10.1085/jgp.49.1.5 . ПМК 2195461 . ПМИД 5859927 .
- ^ Дуткевич А.; Волк, Х.; Джордж, Южная Каролина; Ридли, Дж.; Бьюик, Р. (2006). «Биомаркеры из гуронских нефтеносных флюидных включений: незагрязненные записи жизни до Великого события окисления». Геология . 34 (6): 437. Бибкод : 2006Geo....34..437D . дои : 10.1130/G22360.1 .
- ^ Анбар, А.; Дуань, Ю.; Лайонс, Т.; Арнольд, Г.; Кендалл, Б.; Кризер, Р.; Кауфман, А.; Гордон, Г.; Скотт, К.; Гарвин, Дж.; Бьюик, Р. (2007). «Запах кислорода перед великим событием окисления?». Наука . 317 (5846): 1903–1906. Бибкод : 2007Sci...317.1903A . дои : 10.1126/science.1140325 . ПМИД 17901330 . S2CID 25260892 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Баттерфилд, Нью-Джерси (2007). «Макроэволюция и макроэкология в глубоком времени» . Палеонтология . 50 (1): 41–55. Бибкод : 2007Palgy..50...41B . дои : 10.1111/j.1475-4983.2006.00613.x . S2CID 59436643 .
- ^ Фриман, Скотт (2005). Биологические науки, 2-й . Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Пирсон – Прентис-Холл. стр. 214, 586 . ISBN 978-0-13-140941-5 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Баттерфилд, Нью-Джерси (2009). «Кислород, животные и вентиляция океана: альтернативный взгляд». Геобиология . 7 (1): 1–7. Бибкод : 2009Gbio....7....1B . дои : 10.1111/j.1472-4669.2009.00188.x . ПМИД 19200141 . S2CID 31074331 .
- ^ Бернер, РА (сентябрь 1999 г.). «Атмосферный кислород в фанерозойское время» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (20): 10955–10957. Бибкод : 1999PNAS...9610955B . дои : 10.1073/pnas.96.20.10955 . ISSN 0027-8424 . ПМК 34224 . ПМИД 10500106 .
- ^ Самые ранние записи о лесных пожарах дают представление о прошлой растительности Земли и уровне кислорода.
- ^ Эмсли, Джон (2001). «Кислород» . Строительные блоки природы: Путеводитель по элементам от Аризоны . Оксфорд, Англия, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. стр. 297–304 . ISBN 978-0-19-850340-8 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Пейн, Дж.Л.; Макклейн, ЧР; Бойер, AG; Браун, Дж. Х.; Финнеган, С.; и др. (2011). «Эволюционные последствия кислородного фотосинтеза: взгляд на размер тела». Фотосинт. Рез. 1007 : 37–57. DOI 10.1007/s11120-010-9593-1
- ^ Полет, Делайл (2011). «Самые большие ошибки: исследование факторов, контролирующих максимальный размер насекомых» . Эврика . 2 (1): 43–46. дои : 10.29173/eureka10299 .
- ^ Холдейн, Дж.Б.С., О правильном размере , параграф 7
Внешние ссылки [ править ]
- Лейн, Ник (5 февраля 2010 г.). «Первое дыхание: миллиарды лет борьбы Земли за кислород» . Новый учёный . №2746. (требуется подписка)
- Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). «Тайна земного кислорода» . Нью-Йорк Таймс .
- Уорд, Питер Д. (2006). Из воздуха; динозавры, птицы и древняя атмосфера Земли . Джозеф Генри Пресс. ISBN 0-309-10061-5 . ; «Рецензия на книгу Из воздуха Питера Уорда « »» . Новый учёный .