Всего лишь 2,3 миллиарда лет назад воздух, окружавший Землю, совершенно не содержал кислорода. Для тогдашних примитивных форм жизни это обстоятельство было сущим подарком.
Одноклеточные бактерии, обитавшие в первобытном океане, не нуждались в кислороде для поддержания своей жизнедеятельности. Затем что – то произошло.
Как на Земле появился кислород?
Ученые считают, что по мере развития некоторые бактерии «научились» извлекать из воды водород. Известно, что вода - это соединение водорода и кислорода, поэтому побочным продуктом реакции извлечения водорода было образование кислорода, выделение его в воду, а за тем и в атмосферу.
Некоторые организмы с течением времени приспособились жить в атмосфере с новым газом. Организм нашел способ обуздывать разрушительную энергию кислорода и использовать ее для управляемого распада питательных веществ, в процессе которого выделяется энергия, используемая организмом для поддержания своей жизнедеятельности.
Материалы по теме:
Что такое озоновый слой и почему его разрушение вредно?
Такой способ применения кислорода называется дыханием, которым мы пользуемся ежедневно, и посей день. Дыхание - это способ отвести от себя кислородную угрозу: оно сделало возможным развитие на Земле более крупных организмов - многоклеточных, имеющих уже сложное строение. В конце концов, именно благодаря появлению дыхания эволюция породила человека.
Откуда появился кислород на Земле?
За миллионы прошедших лет количество кислорода на земле увеличилось с 0,2 процента до нынешнего 21 процента атмосферы. Но в увеличении кислорода в воздухе атмосферы виноваты не только бактерии океанов. Ученые считают, что другим источником кислорода были сталкивающиеся континенты. По их мнению, при столкновении, а затем при последующем расхождении континентов в атмосферу выделялись большие количества кислорода.
Ученые прошлого столетия разворачивали свои взгляды на проблему, связанную с кислородом. По проведенным подсчетам выходило, что если не уменьшать темпов загрязнения окружающей нас среды, то кислород, которым мы дышим, закончится примерно через три столетия, а люди и животные просто задохнутся. Этот конец света может оказаться правдой, так как достаточно хорошо обоснована данная проблема и математическими вычислениями, и логикой. Три тонны кислорода нужно для того, чтобы сжечь всего лишь одну тонну топлива. На квадратный дюйм приходится 6,75 килограммов столба воздуха, в сумме Земной кислород имеет вес в 1 020 000 000 000 тон. Его хватит на сжигание топлива весом в 340 000 000 000 тон. Человечество каждый год сжигает каменный уголь, примерно 600 000 000 тонн, горят леса, используются и сжигаются нефтяные продукты и прочие горючие полезные ископаемые. Если все это сложить, то выходит около 1 000 000 000 тон. Даже на глаз можно прикинуть, что кислород при таких темпах закончится довольно скоро, где-то через 340 лет. Лорд Кельвин, знаменитый американец и ученый, предсказывал, что человек перестает быть независимым по отношению к воздуху. Еще придет то время, когда кислород будут заготавливать впрок, закачивая его в большие резервуары, а каждой семье будет выделен паек воздуха ровно такой, чтобы только жизненные функции могли поддерживаться организмом. Ловцы за жемчугом – вот как можно будет характеризовать такое общество. Глотнули воздуха - и не дышите до тех пор, пока клеточки ваших органов не израсходуют все до капельки, снова глоток воздуха - и опять под воду. В моргах при вскрытии заключат в будущем обществе: смерть наступила от кислородного голодания. Если нет денег, то и воздуха для вас нет. Невеселый конец света получается. Но стоит отметить, что в начале прошлого столетия знания ученых были ограничены, они еще не ведали, что в самой Земле тоже есть запасы кислорода, поэтому проблему несколько преувеличили. Наши технологии дошли до того, что могут при необходимости начать генерировать кислородиз воды, при помощи электролиза. Острая необходимость в этом еще долго не наступит, но при одном условии, если наши водоросли, растения, леса будут производить в достатке необходимый нам газ. Взрослый человек, если он не занят тяжелым физически трудом, расходует за свои годы кислорода примерно 300 килограммов. Если даже воспользоваться старыми подсчетами и взять за основу сумму веса воздуха тех ученых, то получается, что имеющегося кислорода без его генерирования будет достаточно для обеспечения жизни 3 400 000 000 000 людей, в то время, как в настоящем нас приблизительно 6 миллиардов.
Один известный западный исследователь как-то в сердцах сказал: - Либо люди смогут сделать так, чтобы на нашей планете стало поменьше дыма, либо же дым сделает так, что на ней станет значительно меньше людей!..
Ученые из ООН провели исследование и подсчитали: население планеты расходует сегодня столько кислорода, сколько могло хватить для дыхания сорока восьми миллиардам людей.
Кто же все-таки виновен в этом страшном «преступлении»? Виной тому - выхлопные газы автомобилей. В Киеве, как и в другом современном и очень развитом городе нашей планеты, так много машин, что прохожему не продохнуть. Тысяча современных автомобилей способна выбросить в атмосферу за день более трех тонн угарного газа. Он обладает неприятным свойством, в двести - триста раз быстрее попадает в кровь, чем кислород, и вызывает отравление.
Города мира живут, по выражению одного ученого, «присев на корточки». Возникла даже новая разновидность малокровия - «анемия привратников» . Тяжелые газы и копоть, оседая на землю, держатся на уровне первых этажей. На высоте третьего - четвертого этажа воздух уже почище. И люди, которым приходится работать многие часы у ворот или подъездов гостиниц, куда непрерывно подъезжают автомобили, чаще других заболевают от «грязного» воздуха. Именно по этому мы настоятельно рекомендуем купить кислородный концентратор домой или в офис.
Чтобы помочь своему организму насытить ткани кислородом, можно купить кислородные коктейлеры . Кислородный коктейль - это немного сладковатая пена, полученная из обогащенной смеси, приготовленной на основе растительных экстрактов шиповника и аскорбиновой кислоты с добавлением воды.
Постоянство атмосферы - важное условие жизни и развития её на Земле. Это постоянство обусловлено физическими законами. Но в недавнем времени возникли сомнения - не нарушены ли эти законы? Некоторые исследователи полагают, что кислород исчезает из нашей атмосферы. По расчетам его количество в атмосфере планеты снижается каждый год более чем на 10 миллиардов тонн.
На каждого жителя планеты приходится около 2-х миллионов тон воздуха, из которых 400 тысяч тонн - кислород. Как всем известно, земные растения планеты ежегодно пополняют запас атмосферы солидной порцией в 400 миллиардов тонн. Значит, 10 миллиардов тонн - сущий пустяк и по этому поводу можно бы не очень волноваться. Чего уж там загадывать на 100 тысяч лет вперед! Но темпы «утечки» возрастают. И очень возможно, что нехватка живительного газа начнет ощущаться уже в конце века.
Потребление кислорода на нашей планете быстро увеличивается с каждым годом. Куда же его он уходит? На дыхание возрастающего в числе населения? Нет, такое предположение было бы уж очень наивно. Кислорода в атмосфере хватит для дыхания многих десятков миллиардов людей. Пожирают кислород в неизмеримых количествах все те же автомобили, фабрики и заводы. В замен они оставляют атмосфере вредные газы.
Автомобиль, проехав 900 километров, «съест» такое количество кислорода, сколько обычный человек израсходует на дыхание за один год. А по земле на данный момент ездят более 1 млрд. автомобилей. 1 млрд. выхлопных труб!
Все перемены климата на Земле совершались до сего времени самой природой, без участия человека. Но влияние человека на климат всей планеты, до недавнего времени незначительное, быстро усиливается.
И уже через несколько десятков лет климат на больших территориях может претерпеть изменения под воздействием современной цивилизации. Какие же перемены ожидаются - дурные или благотворные? Вряд ли найдется сейчас на свете ученый, который даст прямой ответ на этот вопрос. Так как приходится иметь дело с чрезвычайно сложными и малоизученными явлениями…
Говорят так: если планету нашу уменьшить до размеров апельсина, то атмосфера Земли соответственно не превысит толщины папиросной бумаги, в которую апельсин заворачивают. Рвать и портить такую драгоценную обертку очень опасно.
В которой экспериментально подтверждают свою гипотезу, объясняющую появление на Земле кислорода нерастительного происхождения.
Почти все живое использует для дыхания кислород. Не вникая особенно в физику и химию процессов клеточного дыхания, скажем, что выбор эволюции пал на кислород из-за его высокой способности к окислению, то есть тому, чтобы легко присоединять лишний электрон. Электрон поступает в электротранспортную цепь от НАДH или ФАДH 2 путешествует по ней, и все заканчивается синтезом молекулы АТФ - материальным эквивалентом запасенной энергии и присоединением электрона к кислороду. Вся эта реакция становится возможной, потому что такой перенос электрона энергетически выгоден, а это частично обусловлено свойствами кислорода.
Когда жизнь на Земле зарождалась, кислорода в атмосфере практически не было, как нет его сегодня на Венере или Марсе. Древние бактерии были вынуждены использовать другие окислители , зачастую энергетически менее выгодные, зато доступные. NO 3 - , NO 2 - , Fe 3+ , фумарат и диметилсульфоксид, используемые некоторыми видами бактерий, обладают более высоким окислительно-восстановительным потенциалом и менее выгодны в качестве окислителей. Многие бактерии, использующие один из этих окислителей, способны также и к кислородному дыханию. При наличии кислорода они дышат им (это выгоднее), а когда кислорода нет, - другим своим окислителем (надо же как-то). Серосодержащие окислители (S, SO 4 -) обладают более низким окислительно-восстановительным потенциалом. Это, однако, делает кислород токсичным для соответствующих микроорганизмов, и в атмосфере, содержащей кислород, они погибают. У более высокоорганизованных жизненных форм анаэробное дыхание встречается редко и почти никогда не служит основным источником энергии.
Могли ли высокоразвитые формы жизни использовать в качестве окислителя не кислород? Кислород в качестве окислителя энергетически выгоднее большинства других субстратов (чем ниже окислительно-восстановительный потенциал окислителя, тем больше энергии выделяется при прохождении электрона через электротранспортную цепь). Значит, дышащие кислородом организмы обладали более эффективным метаболизмом, были лучше адаптированы. С энергетической точки зрения серосодержащие субстраты тоже вполне выгодны. Проблема, правда, заключается в том, что обладатели такого типа дыхания гибнут в присутствии кислорода. До сих пор не вполне понятно , почему именно это происходит. То есть, если бы в атмосфере Земли не появился кислород, со временем обладатели сульфатного дыхания могли бы эволюционировать и дальше. Но кислород появился, и им пришлось отправиться в «резервации», куда кислород не поступает.
Вопрос в том, откуда появился кислород. На сегодняшний день в атмосфере Земли примерно 20% кислорода. В таких огромных количествах его выделяют фотосинтезирующие растения, в основном, деревья и водоросли. Но фотосинтезирующие растения сами теперь в большинстве своем дышат кислородом. Чтобы в ходе эволюции мутации, позволяющие дышать кислородом, закрепились, это должно быть выгодно, значит, должен быть кислород. В большом количестве кислород на Земле появился благодаря цианобактериям . Это азотфиксирующие бактерии, умеющие фотосинтезировать. То есть массово кислород появился на Земле как побочный продукт фотосинтеза. Это событие называют «Кислородной катастрофой », видимо, за масштаб последствий.
А вот на вопрос о том, был ли кислород до этого, остается открытым. Последние 40 лет все увереннее стали говорить, что кислород был и до Кислородной катастрофы, и вот теперь возможность его существования подтверждена экспериментально.
До сегодняшнего дня был известен только один способ возникновения молекулярного кислорода в тогдашних условиях. Он состоит из двух стадий: диссоциации углекислого газа под воздействием солнечного ультрафиолета на угарный газ и атомарный кислород и реакции двух атомов кислорода, требующей третьего участника: атомы объединяются в молекулу, а носитель (M) уносит лишнюю энергию.
CO 2 + hν(UV) → CO + O
O+O+M → O 2 + M
Однако же расчеты, а затем и эксперимент, проведенные авторами обсуждаемой статьи показали, что кислород может под действием ультрафиолета образовываться из углекислого газа в один шаг:
CO 2 + hν(UV) → C+O 2
В эксперименте использовался лазер с длиной волны 200 нм, свет с такой длиной волны обычно поглощается атмосферой, поэтому реакция должна была протекать в верхних ее слоях. Такая реакция может и сейчас, когда содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается, происходить в верхних слоях атмосферы Земли, а может и в атмосферах других планет.
За последние 800 тысяч лет количество кислорода в атмосфере сократилось примерно на 0,7%. Этого недостаточно, чтобы причинить вред какой-либо форме жизни, но достаточно для того, чтобы озадачить ученых.
Ключ к жизни на Земле
В недавнем исследовании ученые из Принстонского университета изучили пузырьки воздуха, «запертые» в древних льдах Гренландии и Антарктиды. Исследователи оценивали прошлое атмосферное давление кислорода путем измерения его отношения к азоту в этих доисторических пузырьках.
Кислород является ключом к жизни на Земле, как все мы знаем, но также он играет важную роль во многих химических процессах по всему миру. Тем не менее изменение в 0,7% не является слишком драматичным. Это эквивалентно падению, которое происходит от 0 до 100 метров над уровнем моря.
Гипотезы
Но озадачивает вопрос, куда подевался кислород? Исследователи имеют две гипотезы, которые могли бы объяснить такое снижение его уровня.
Первая гипотеза заключается в том, что глобальные темпы эрозии могли возрасти в течение нескольких последних десятков миллионов лет, что привело, помимо всего прочего, к росту ледников. Они, в свою очередь, шлифуют породу, тем самым увеличивая скорость эрозии.
Есть и альтернативное объяснение. Когда океан остывает, что происходило примерно последние 15 миллионов лет, прежде чем началось сжигание ископаемого топлива, растворимость кислорода в нем увеличивалась. Это значит, что океаны могут хранить больше кислорода при более низких температурах для заданной его концентрации в атмосфере.
Воздействие материалов
Кроме того, есть множество материалов, которые также эффективно удаляют кислород из атмосферы. К примеру, ржавчина образуется, когда железо взаимодействует с кислородом. Некоторые материалы, такие как пирит (также известный как «золото дураков») и органический углерод, являются особенно эффективными в захвате кислорода, а значит, эти вещества могут быть виновниками падения его уровня.
Уровень углекислого газа
Существует еще одна интересная находка в исследовании. Уровень углекислого газа в атмосфере был более или менее постоянным до того, как все изменилось 150 лет назад. Такой вывод стал довольно неожиданным, поскольку уровень двуокиси углерода имеет тенденцию увеличиваться по мере уменьшения кислорода.
Потенциальным решением этой загадки является так называемый термостат выветривания, который предполагает повышенную эрозию вулканической породы, когда атмосфера становится богатой углекислым газом. Эти разбитые камни вымываются в море, и углекислый газ оказывается там в ловушке.
Необходимо провести больше исследований, чтобы понять, как наша Земля взаимодействует с кислородом и углекислыи газом в атмосфере в течение длительных периодов времени.
Loading...