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:

Кислород в атмосфере

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.

Кислород чаще всего ассоциируется с атмосферой. Атмосфера – это скафандр планеты Земля. Если сравнивать что человеку важнее для жизни на Земле, то можно попробовать сравнить без чего и как долго человек не сможет жить. Итак, без пищи человек может жить примерно месяц; без воды человек может протянуть неделю; а вот без воздуха человеку не протянуть и часа. Однако не стоит заблуждаться на сей счёт, поскольку все составляющие нашей обители нам жизненно необходимы и без них невозможно не только наше развитие, но и сама жизнь.

Откуда мы берём кислород

Само слово атмосфера греческого происхождения и состоит из «атмос» - пар и «сфайра» - шар, она представляет собой скафандр для планеты и является резервуаром кислорода. Этот химический элемент является необходимым компонентом для протекания в организме окислительно-восстановительных реакций и, кроме того, выполняет ряд защитных функций.

Атмосфера имеет протяжённость свыше тысячи километров; да, даже на такой высоте обнаруживают следы газов, входящих в атмосферу. Это неудивительно так как действие гравитационного поля Земли распространяется на 10 земных радиусов, а это около 60.000 км.

Напомним, что атмосфера состоит из пяти основных сфер:

• Тропосфера (0-10 км).
• Стратосфера (10-50 км).
• Мезосфера (50-100 км).
• Термосфера (100-800 км).
• Экзосфера (800-1100 км).

Впрочем, данное деление атмосферы не совсем точно отражает её содержимое. Так, например, название ионосфера присвоено слою атмосферы, который подвергается облучению примерно на высоте 80 км и обнаруживает большое число ионов и свободных электронов.

На всём своём протяжении атмосфера более-менее стабильна поскольку она состоит из газообразных продуктов, не вступающих в реакции при обычных условиях. Эта смесь и называется воздухом. В основном воздух состоит из азота (78%), кислорода (21%) и аргона (1%). Учёные также оценили, что масса атмосферы нашей планеты составляет 5*1015 тонн и, разумеется, что основная её часть находится «на дне» воздушного пятого океана.

Однако атмосфера не является единственным источником воздуха и кислорода в частности. Например, огромные водные запасы, дающие массу испарений ежесекундно, вызывают колебания состава воздуха и, как результат, кислорода. Леса, которые часто называют «лёгкими» планеты, дают значительный массовый прирост кислородной составляющей атмосферы. Немаловажную роль в формировании состава воздуха и содержания кислорода в нём играет деятельность людей. Тот факт, что кислород входит в целый ряд веществ, находящихся в твёрдом и жидком состояниях, не имеет большого влияния на содержание кислорода в атмосфере.

Важным фактом является также и то, что кислород в атмосфере Земли был не всегда – он появился там примерно 2 млрд. лет тому назад вместе с появлением первых хлорофилловых организмов. Но только за последние 20 млн. лет концентрация кислорода в атмосфере стала примерно такой, как сейчас.

Может ли кончится кислород?

Существует ли реальная возможность полного истощения кислорода на Земле? Теоретически такая возможность существует, однако для паники нет никакого повода.

Сейчас уже широко известны основные «потребители» кислорода:

• Автомобиль, проехавший расстояние в 500 км «съедает» годовую дыхательную норму человека;
• Самолёт, пролетевший 10 тыс. км сжигает 30-50 т кислорода, что составляет суточную производственную норму лесного массива площадью 15-20 тыс. га

Уровень потребления кислорода на Земле огромен, однако экспериментальные измерения показывают, что за последние 100 лет количество атмосферного кислорода не уменьшилось. Потери кислорода в атмосфере возмещаются растительностью суши и мирового океана, которые пока способны производить около 320 миллиардов тонн свободного кислорода. Однако следует помнить, что потребление кислорода людьми растёт, а популяция растений на земле стремительно сокращается. Эти процессы пока никем не контролируемы.

Всё же рост потребления кислорода не представляет такой значительной угрозы как ежегодные выбросы в атмосферу объёмом около миллиарда тонн химических соединений, а также нескольких миллиардов тонн твёрдых частиц и различных аэрозолей. Другими словами, не недостаток кислорода, а избыток прочих выбрасываемых постоянно в атмосферу веществ, представляет основную угрозу для пригодности атмосферного воздуха к дыханию.

Что такое озон

Как уже говорилось, газовый состав меняется от одного слоя атмосферы к другому. Кислород вблизи земной поверхности существует в виде двухатомных молекул, а вот в разреженных слоях атмосферы он подвергается диссоциации на атомы под действием солнечной радиации. Таким образом, где то на высоте 40 км содержание атомарного кислорода уже значительно, а на высотах 120-150 км молекулы O2 практически отсутствуют.

На относительно невысоком расстоянии от земной поверхности - около 20-35 км атомарный кислород, будучи достаточно активным, образует с молекулярным кислородом трёхатомные молекулы озона O3. Это высота озонового слоя Земли. Важность его в том, что он защищает поверхность Земли, задерживая ультрафиолетовые лучи. Сами по себе молекулы озона непрозрачны для ультрафиолетовой радиации Солнца и почти полностью поглощают ей. С другой стороны озоновый слой задерживает около пятой части инфракрасного теплового излучения с Земной поверхности, обеспечивая таким образом стабильный тепловой режим для всего живого.

Примечательно, что озоновый слой появился примерно 500-400 млн. лет тому назад и с тех самых пор природное равновесие жизни на Земле поддерживается благодаря ему. Озон в долевом отношении составляет миллионные доли всего воздуха планеты, но этого достаточно для поддержания условий, пригодных для жизни.

Основными «врагами», или разрушителями, озонового слоя являются фреоны, газообразные загрязнители холодильной промышленности, парфюмерного производства, а также ряда других отраслях человеческой деятельности. Основными производителями фреонов являются:

• Европа – 40%.
• США – 35%
• Япония – 10%
• СНГ – 12%.

Влияние фреона вблизи поверхности практически отсутствует, здесь он – инертный газ. Когда же он, испаряясь, достигает озонового слоя, то он становится атомарным газом под воздействием солнечной радиации в виде ультрафиолетового излучения, а затем вступает в реакцию с озоном. Получаемый в ходе этой реакции монооксид хлора и молекулярный кислород не выполняют роли поглотителей ультрафиолетовых лучей и они доходят до Земли.

Люди давно уже знают про существование «озоновых дыр» и пока что сложно сказать что-либо определённое об их происхождении; однако достоверно известно, что, например, в Антарктиде не только вдвое меньше озона в атмосфере, там в сотни раз выше нормы концентрация монооксида хлора.

Что предпринимается

Дебаты по кислороду и, в особенности, по озону продолжаются. На сегодняшний день к достижениям человечества можно отнести подписание ряда протоколов: от Венской конвенции 1985 г. об охране озонового слоя странами-производителями фреона до недавнего Киотского соглашения 2009 года. Это последнее международное соглашение подписано 181 страной мира, на которые приходится свыше 61% всех выбросов в атмосферу в мире.

В отношении шагов по сохранению атмосферы и её озонового слоя в частности можно сказать, что достаточно активно ведётся работа по уменьшению выбросов фреона в атмосферу (утилизация отработанного фреона, замещение фреона сжатым воздухом в аэрозольных упаковках и т.д.). С другой стороны, проводятся многочисленные кампании по сбережению лесов и предотвращению загрязнения мирового океана, которые уже приобрели статус международных.

В отличие от горячих и холодных планет нашей Солнечной системы, на планете Земля существуют условия, которые дают возможность жизни в определенной форме. Одним из главных условий является состав атмосферы, который дает всему живому возможность свободно дышать и защищает от смертельного излучения, царящего в космосе.

Из чего состоит атмосфера

Атмосфера Земли состоит из множества газов. В основном который занимает 77 %. Газ, без которого немыслима жизнь на Земле, занимает гораздо меньший объем, содержание кислорода в воздухе равно 21 % от всего объема атмосферы. Последние 2 % - смесь различных газов, включая аргон, гелий, неон, криптон и другие.

Атмосфера Земли поднимается на высоту 8 тыс. км. Воздух, пригодный для дыхания, есть только в нижнем слое атмосферы, в тропосфере, достигающей на полюсах - 8 км, ввысь, а над экватором - 16 км. С увеличением высоты воздух становится более разреженным и тем больше ощутима нехватка кислорода. Чтобы рассмотреть, какое содержание кислорода в воздухе бывает на разной высоте, приведем пример. На пике Эвереста (высота 8848 м) воздух вмещает этого газа в 3 раза меньше, чем над уровнем моря. Поэтому покорители высокогорных вершин - альпинисты - могут подняться на его вершину только в кислородных масках.

Кислород - главное условие выживания на планете

В начале существования Земли воздух, который ее окружал, не имел этого газа в своем составе. Это вполне подходило для жизни простейших - одноклеточных молекул, которые плавали в океане. Им кислород не был нужен. Процесс начался примерно 2 млн лет назад, когда первые живые организмы в результате реакции фотосинтеза начали выделять малые дозы этого газа, полученного в результате химических реакций, сначала в океан, затем в атмосферу. Жизнь развилась на планете и приняла разнообразные формы, большинство из которых не дожили до наших времен. Некоторые организмы со временем приспособились к жизни с новым газом.

Они научились использовать его силу безопасно внутри клетки, где она выступала в роли электростанции, для того чтобы добывать энергию из еды. Такой способ использования кислорода называется дыханием, и мы это делаем ежесекундно. Именно дыхание дало возможность для появления более сложных организмов и людей. За миллионы лет содержание в воздухе кислорода взлетело до современного уровня - около 21 %. Накопление этого газа в атмосфере способствовало созданию озонового слоя на высоте 8-30 км от поверхности земли. Вместе с этим планета получила защиту от пагубного действия ультрафиолетовых лучей. Дальнейшая эволюция жизненных форм на воде и на суше стремительно возросла в результате увеличения фотосинтеза.

Анаэробная жизнь

Хотя некоторые организмы адаптировались к повышающемуся уровню выделяемого газа, многие из простейших форм жизни, которые существовали на Земле, исчезли. Другие организмы выжили, прячась от кислорода. Некоторые из них сегодня живут в корнях бобовых, используя азот из воздуха для построения аминокислот для растений. Смертельный организм ботулизма - еще один "беженец" от кислорода. Он спокойно выживает в вакуумных упаковках с консервированными продуктами.

Какой кислородный уровень оптимален для жизни

Преждевременно рожденные малыши, легкие которых еще не полностью раскрыты для дыхания, попадают в специальные инкубаторы. В них содержание кислорода в воздухе по объему выше, и вместо обычных 21 % здесь установлен его уровень 30-40 %. Малыши, имеющие серьезные проблемы дыхания, окружаются воздухом со стопроцентным уровнем кислорода, чтобы предотвратить повреждение детского мозга. Нахождение в таких обстоятельствах совершенствует кислородный режим тканей, пребывающих в состоянии гипоксии, приводит в норму их жизненные функции. Но его чрезмерное количество в воздухе так же опасно, как и недостаток. Чрезмерное количество кислорода в крови ребенка может привести к повреждению кровеносных сосудов в глазах и спровоцировать утрату зрения. Это показывает двойственность свойств газа. Мы должны дышать им, чтобы жить, но его избыток иногда может стать отравой для организма.

Процесс окисления

При соединении кислорода с водородом или углеродом, совершается реакция, именуемая окислением. Этот процесс заставляет органические молекулы, являющиеся основанием жизни, распадаться. В человеческом организме окисление проходит следующим образом. Эритроциты крови собирают кислород из легких и разносят его по всему телу. Происходит процесс разрушения молекул еды, которую мы употребляем. Этот процесс освобождает энергию, воду и оставляет диосксид углерода. Последний выводится клетками крови обратно в легкие, и мы выдыхаем его в воздух. Человек может задохнуться, если ему помешать дышать дольше, чем 5 минут.

Дыхание

Рассмотрим содержание кислорода во вдыхаемом попадающий извне в легкие при вдыхании, именуется вдыхаемым, а воздух, который выходит наружу через дыхательную систему при выдохе, - выдыхаемым.

Он представляет собой смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, с тем, который находится в дыхательных путях. Химический состав воздуха, который здоровый человек вдыхает и выдыхает в естественных условиях, практически не меняется и выражается такими цифрами.

Кислород - главная для жизни составляющая воздуха. Изменения количества этого газа в атмосфере невелики. Если у моря содержание в воздухе кислорода вмещает до 20,99 %, то даже в очень загрязненном воздухе индустриальных городов его уровень не падает ниже 20,5 %. Такие изменения не выявляют воздействия на человеческий организм. Физиологические нарушения проявляются тогда, когда процентное содержание кислорода в воздухе падает до 16-17 %. При этом наблюдается явная которая ведет к резкому падению жизнедеятельности, а при содержании в воздухе кислорода 7-8 % возможен летальный исход.

Атмосфера в разные эпохи

Состав атмосферы всегда оказывал воздействие на эволюцию. В разные геологические времена из-за природных катаклизмов наблюдались подъемы или падения уровня кислорода, и это влекло за собой изменение биосистемы. Примерно 300 миллионов лет назад содержание его в атмосфере поднялось до 35 %, при этом наблюдалось заселение планеты насекомыми гигантских размеров. Наибольшее вымирание живых существ в истории Земли случилось около 250 миллионов лет назад. Во время него более чем 90 % обитателей океана и 75 % жителей суши погибло. Одна из версий массового вымирания гласит, что виной тому оказалось низкое содержание в воздухе кислорода. Количество этого газа упало до 12 %, и это - в нижнем слое атмосферы до высоты 5300 метров. В нашу эпоху содержание кислорода в атмосферном воздухе доходит до 20,9 %, что на 0,7 % ниже, чем 800 тысяч лет назад. Эти цифры подтверждены учеными из Принстонского университета, которые исследовали пробы Гренландского и Атлантического льда, образовавшегося в то время. Замерзшая вода сберегла пузырьки воздуха, и этот факт помогает вычислить уровень кислорода в атмосфере.

Чему подчиняется уровень его в воздухе

Активное поглощение его из атмосферы может быть вызвано передвижением ледников. Отодвигаясь, они открывают гигантские площади органических пластов, потребляющих кислород. Еще одним поводом может быть остывание вод Мирового океана: его бактерии при пониженной температуре активнее поглощают кислород. Исследователи утверждают, что индустриальный скачок и вместе с ним сжигание огромного количества топлива особенного воздействия при этом не оказывают. Мировой океан охлаждается в течение 15 миллионов лет, и количество жизненно важного в атмосфере уменьшилось независимо от воздействия человека. Вероятно, на Земле совершаются некоторые природные процессы, ведущие к тому, что потребление кислорода становится выше его производства.

Воздействие человека на состав атмосферы

Поговорим о влиянии человека на состав воздуха. Тот уровень, который мы сегодня имеем, идеально подходит для живых существ, содержание кислорода в воздухе составляет 21 %. Баланс его и других газов определяется жизненным циклом в природе: животные выдыхают диоксид углерода, растения используют его и выделяют кислород.

Но не существует гарантии, что такой уровень будет постоянным всегда. Повышается количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу. Это происходит из-за использования топлива человечеством. А оно, как известно, образовалось из окаменелостей органического происхождения и в воздух попадает диоксид углерода. А тем временем самые большие растения нашей планеты, деревья, уничтожаются с нарастающей скоростью. За минуту исчезают километры леса. Это значит, что часть кислорода в воздухе постепенно падает и ученые уже сейчас бьют тревогу. Земная атмосфера - не безграничная кладовая и кислород в нее извне не поступает. Он все время вырабатывался вместе с развитием Земли. Нужно постоянно помнить, что этот газ производится растительностью в процессе фотосинтеза за счет потребления углекислого газа. И любое существенное уменьшение растительности в виде уничтожения лесов, неотвратимо снижает попадание кислорода в атмосферу, тем самым, нарушая его баланс.

Учёные из Китая, США и Франции нашли новый метод отслеживания содержания кислорода в пузырьках воздуха, содержащихся в полярных льдах. Благодаря этому им удалось установить, что содержание этого газа в атмосфере Земли за последние 800 000 лет снизилось на 0,7 процента. Причиной такого события могло стать падение температуры, идущее на Земле в последние миллионы лет. Соответствующая опубликована в журнале Science .

Исследователи решили узнать, как менялось количество кислорода в атмосфере планеты в последние 800 000 лет, сравнив, как изменялось соотношение кислорода и азота в образцах льда из Гренландии и Антарктиды. Такой метод был применён учёными впервые. К сожалению, для более ранних эпох новый способ неприменим, так как в ледниках фиксируются пузырьки воздуха в только в том случае, если идёт процесс роста ледникового массива. В последние 800 000 лет ледники Гренландии и Антарктиды в целом росли, а до этого многие миллионы лет их размер был стабилен или уменьшался.

Выяснилось, что за последние 0,8 миллиона лет в содержании кислорода на Земле произошли значительные изменения. Его концентрация снизилась на 0,7 процента. Хотя, на первый взгляд, это небольшое изменение, в действительности это немало. Чтобы такой процесс мог произойти, связывание кислорода должно было идти активнее его выработки растениями примерно на 1,7-2,0 процента. А это эквивалентно миллиардам тонн газа в год, причём, что именно отвечало за его связывание, пока остаётся неясным.

Авторы работы предложили гипотезу, по которой ускоренное связывание кислорода произошло из-за общего охлаждения климата планеты в последние несколько миллионов лет. Как отмечают исследователи, при падении температуры количество кислорода, способного раствориться в единице объёма морской воды, резко растет. На дне океанов кислород постепенно связывается морскими осадочными породами, содержащими углерод. В таком случае общее похолодание климата может привести к связыванию на морском дне значительных объемов кислорода. По расчётам, оно является долговременным и после этого утерянный из атмосферы газ более туда не возвращается.

Если бы процесс такого рода длился несколько десятков миллионов лет, содержание кислорода в воздухе могло упасть куда значительнее, на десятки процентов относительно его современного уровня. Это соответствует условиям на высотах в несколько километров. В случае если данная гипотеза верна, идущее сейчас глобальное потепление потенциально способно увеличить концентрацию кислорода в воздухе.

На данный момент в науке нет чёткого понимания того, как менялась концентрация кислорода в последние сотни миллионов лет. Известно лишь, что уже 800 миллионов лет назад его было достаточно для дыхания крупных животных типа человека, хотя и в два раза меньше, чем сегодня. В последние 500 миллионов лет климат на планете был, как правило, значительно теплее сегодняшнего. Поэтому ряд исследователей допускают, что основную часть этого периода кислорода в воздухе было больше, чем сейчас. В таком случае метаболизм наземных животных мог быть более активным, чем типичный для нашего времени.

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.