В это время возникли все крупные месторождения железа (включая Курскую магнитную аномалию). После этого на Земле больше не образовывались руды такого типа, за исключением очень короткого эпизода в конце протерозоя. В период 2,2-1,9 млрд лет назад было добыто 70% мировых запасов железной руды!
Все о кислородной катастрофе в период Архея
Из всех газов, составляющих атмосферу, кислород является самым важным для жизни человека. Он необходим для дыхания, с помощью которого в организме происходит энергетический обмен — расщепление сложных органических веществ на более простые. Люди также широко используют кислород в своей жизни: альпинисты берут с собой газовые баллоны для восхождения в горы, в медицине он используется для поддержания жизни человека, в операциях кислород применяется на заводах и т.д.
Мало кто знает, что кислород в свободной форме является результатом кислородной катастрофы в истории Земли, которая произошла около 2,45 миллиарда лет назад. До этого он также присутствовал в атмосфере, но его содержание было крайне низким. После катастрофы многие организмы вымерли, потому что были анаэробами, для которых кислород был просто губителен. Однако некоторые сохранились, потому что были устойчивы или жили в «кислородных карманах», и начали эволюционировать в более сложные виды.
Разрушение кислорода произошло на пороге между архейской и протерозойской эрами и радикально изменило жизнь организмов и сообществ.
Что это такое?
Кислородная катастрофа (революция) — это очень глобальное изменение состава атмосферного воздуха, а точнее, увеличение содержания свободного О2 в воздухе. Впервые этот термин появился в начале второй половины двадцатого века. Все началось с гипотезы, что когда они начали изучать осадки, то заметили резкое увеличение содержания О2.
Как выяснилось позже, гипотеза ученых подтвердилась, и они смогли задокументировать и найти причины. По мнению ученых, он происходил в две фазы, а пауза между ними, вероятно, была периодом интенсивного формирования континентов. По сей день ученые выясняют, как произошли такие изменения. В течение многих лет основной теорией было то, что это фотосинтез, то есть накопление за счет деятельности фотосинтезирующих организмов, а именно цианобактерий. Однако, поскольку они уже давно занимаются фотосинтезом, ученые сейчас склоняются к другой версии.
Ученые-геологи из Китая, США и Японии разработали эту теорию и утверждают, что катастрофа была результатом тектонической активности.
Ученые предполагают, что цианобактерии уже существовали на Земле около пятисот миллионов лет к моменту кислородной революции. Они пытались доказать, что фотосинтетические бактерии перенасыщают атмосферу О2, но потерпели неудачу, потому что их теория не могла объяснить изменения в карбонатных минералах, то есть изменение соотношения изотопов углерода. Они могли объяснить это явление только тектонической активностью, которая привела к истощению кислорода и изменению минералов, так как образовалось большое количество вулканов, извергающих углекислый газ в атмосферу.
В протерозое концентрация свободного O2 увеличилась в пятнадцать раз за период около двухсот миллионов лет. Поэтому можно сказать, что уничтожение кислорода длилось два периода, но общепризнано, что это событие ознаменовало конец древнего мира.
Долгое становление окислительной атмосферы
Состав до кислородной революции, к сожалению, до сих пор неизвестен, но ученые предполагают, что он образовался в результате разрушения мантии Земли и имел восстановительный характер на основе метана, аммиака, сероводорода и углекислого газа.
Во время разрушения количество свободных газов в атмосфере резко возросло и достигло точки Пастера (это уровень кислорода, выше которого аэробные микроорганизмы и, если применимо, анаэробы адаптируются и переходят от брожения к аэробному дыханию). Поскольку Земля была населена в основном анаэробами, а кислород был для них губителен, почти все организмы вымерли. Однако существовали и такие формы, которые не погибали от кислорода либо потому, что были чувствительны к окислению и кислороду, либо потому, что осуществляли свой жизненный цикл в бескислородной среде.
В результате накопления значительного количества кислорода в атмосфере и гидросфере возникла стабильная жизнь для аэробных одноклеточных организмов, которые до этого могли существовать и расти только в «кислородных карманах».
В прежней восстановительной среде цианобактерии выделяли диоксид, который первоначально расходовался при окислении соединений, а не собирался в свободном виде в атмосфере Земли. Во время резкого увеличения количества этого важного газа он начал накапливаться в свободной форме, и характер атмосферы стал меняться от восстановительного к окислительному, поскольку организмы начали использовать энергетический обмен.
Бескислородная атмосфера
С момента образования Земли первая комбинация газов была очень негостеприимной для большинства форм жизни. Хотя существует множество теорий происхождения жизни на Земле, таких как «теория первичного бульона», «теория гидротермального источника» и «гипотеза панспермии», которые утверждают, что первые организмы, населявшие Землю, не нуждались в кислороде, поскольку он еще не присутствовал в атмосфере. Большинство ученых согласны с тем, что строительные блоки жизни не могли бы образоваться, если бы в атмосфере в то время был кислород.
Однако растения и другие автотрофные организмы смогли процветать в атмосфере, наполненной углекислым газом. Углекислый газ — один из важнейших реактивов, необходимых для фотосинтеза. При наличии углекислого газа и воды автотрофные организмы могут производить углеводы для получения энергии и выделять кислород в качестве побочного продукта. После того как на Земле появилось множество растений, в атмосфере появился свободный кислород.
Считается, что в то время ни одно живое существо на Земле не использовало кислород. На самом деле, обилие кислорода было токсичным для некоторых автотрофных организмов, и они вымерли.
Ультрафиолет
Хотя газ кислород не мог непосредственно использоваться живыми существами, кислород не был вреден для организмов, живших в то время.
Кислородный газ поднялся в атмосферу, где подвергся воздействию ультрафиолетовых (УФ) лучей солнца. Это УФ-излучение разделило молекулы кислорода двух атомов и способствовало образованию озона, который состоит из трех атомов кислорода, ковалентно связанных между собой. Озоновый слой помогает удерживать некоторые ультрафиолетовые лучи от поверхности Земли. Это создало более безопасную среду для организмов, живущих на суше. До образования озонового слоя жизнь обитала в океанах, где она была защищена от сильного тепла и радиации.
Первые потребители
С появлением защитного озонового слоя многие гетеротрофы смогли эволюционировать. Первые потребители были простыми травоядными, которые могли питаться растениями, выжившими в атмосфере, богатой кислородом. Поскольку на ранних этапах колонизации Земли кислород был в изобилии, многие предки известных нам сегодня животных выросли до огромных размеров. Есть свидетельства того, что некоторые виды насекомых были крупнее современных видов крупных птиц.
По мере того как становились доступными все новые и новые источники пищи, потребители развивались на других уровнях пищевой цепи. Эти гетеротрофы выделяют углекислый газ в качестве побочного продукта своего клеточного дыхания.
Эволюция автотрофных и гетеротрофных организмов способствовала поддержанию стабильного уровня кислорода и углекислого газа в атмосфере. Этот процесс продолжается и по сей день.
Конец «скучного миллиарда»
За бурными событиями раннего протерозоя последовал так называемый «Скучный миллиард лет»: В то время не было ни ледников, ни резких атмосферных изменений, ни биосферных потрясений. Эукариотические водоросли жили в океанах и медленно выделяли кислород. Их мир был разнообразным и по-своему сложным. Например, многоклеточные красные и желто-зеленые водоросли известны с северного бимиллиона лет, удивительно похожие на своих современных родственников (Philosophical Transactions of the Royal Society B, 2006, 361, 1470, 1023-1038). В это время появляются и грибы (Палеобиология, 2005, 31, 1, 165-182). Но в масштабах «миллиардов лет» не существует многоклеточных животных. Давайте будем осторожны: никто не может с абсолютной уверенностью сказать, что в те времена не было многоклеточных животных, но все данные на этот счет в лучшем случае весьма противоречивы (Precambrian Research, 2013, 235, 71-87).
«скучная» миллиардолетняя жизнь: а — 1,4 миллиарда лет водный гриб Tappania; б — гифы Tappania; их структура показывает, что это действительно довольно типичный гриб; в — 1,2 миллиарда лет красная водоросль Bangiomorpha, которая принадлежит не более и не менее как к современному порядку Bangia, еще один замечательный пример живого ископаемого.
В чем здесь смысл? Это говорит о том, что многоклеточность как таковая гораздо более совместима с образом жизни растения, чем животного. Каждая растительная клетка заключена в жесткую клеточную стенку, и нет сомнения, что это значительно облегчает регулирование взаимного расположения клеток в сложном организме. Животные клетки, с другой стороны, не имеют клеточной стенки, их форма нестабильна и к тому же постоянно меняется во время фагоцитоза, то есть проглатывания частиц пищи. Из таких клеток трудно собрать целый организм. Если бы многоклеточных животных не было вообще, а биологами стали представители растений или грибов, то после изучения этой проблемы они, скорее всего, пришли бы к выводу, что сочетание многоклеточности и отсутствия клеточной стенки просто невозможно. В любом случае, это объясняет, почему многоклеточность возникала несколько раз у разных групп водорослей, но только один раз у животных.
Есть и другая идея. В 1959 году канадский зоолог Джон Ральф Нерселл связал внезапное (как тогда считалось) появление животных в палеонтологической летописи с увеличением концентрации кислорода в атмосфере («Nature», 1959, 183, 4669, 1170-1172). Животные, как правило, активны, им требуется так много энергии, что они не могут обойтись без кислородного дыхания. И им нужно много кислорода. И в эпоху «скучных миллиардов» О.2в атмосфере почти наверняка составлял менее 10% от сегодняшнего уровня — минимум, который, как часто считают, необходим для поддержания жизни животных. На самом деле, это подозрительно круглое число, вероятно, завышено ( Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2014, 111, 11, 4168-4172). Такие оговорки, однако, не мешают нам признать, что старая идея Нерселла, по крайней мере, не противоречит современным данным: Предполагаемое начало эволюции многоклеточных животных весьма приблизительно, но совпадает с возобновлением роста концентрации кислорода в атмосфере в конце протерозоя ( Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2015, 46, 215-235). Это может быть только одним из факторов, способствующих появлению животных: чем больше кислорода, тем лучше. Не следует полагать, что кислород является единственным фактором. Следует помнить, что даже в те времена, когда кислород был в изобилии, не было многократных попыток создать многоклеточные организмы животного типа. Природе этот эксперимент удался лишь однажды.
Земля-снежок
Ледник, который обнаружил Харланд, сейчас принято называть снежной эрой Земли. Все указывает на то, что это было настоящее планетарное оледенение. Основной причиной считается резкое ослабление парникового эффекта из-за снижения содержания углекислого газа (который стал основным парниковым газом после того, как кислород «съел» почти весь метан). Фотосинтез и дыхание, вероятно, не имеют к этому никакого отношения. Если биологический мир Земли совершил свою собственную кислородную революцию, то теперь он стал жертвой внешней силы, которая не является биологической по своей природе.
Дело в том, что оборот углекислого газа гораздо меньше зависит от живых существ, чем оборот кислорода. Основной источник атмосферного CO2на Земле по-прежнему поступает в результате извержений вулканов, а основное поглощение происходит в результате процесса, называемого химическим выветриванием. Углекислый газ взаимодействует с горными породами, разрушая их и превращая в карбонаты (HCO3— или CO3Последние хорошо растворимы в воде, но уже не являются частью атмосферы. В результате получается очень простая корреляция. Когда интенсивность вулканической деятельности превышает интенсивность химической эрозии, атмосферная концентрация CO2концентрация увеличивается. Если наоборот, то он будет падать.
В конце «тупого миллиарда», 800 миллионов лет назад, почти вся суша на Земле была частью одного суперконтинента под названием Родиния. По мнению известного геолога, огромные суперконтиненты, подобно великим империям, всегда оказывались неустойчивыми в социальной истории Земли (В.Е. Хаин, М.Г. Ломизе. Геотектоника и геодинамические основы. Москва: Издательство Московского государственного университета, 1995). Поэтому неудивительно, что Родиния начала разрушаться. Базальт извергался на краях разломов, которые сразу же подвергались химической эрозии. В то время не было почвы, и продукты эрозии легко переносились в море. В конце концов, Родиния распалась на семь или восемь небольших континентов — размером примерно с Австралию — которые начали удаляться друг от друга. Потеря CO2был использован для эрозии базальта и снижения его уровня в атмосфере.
Вулканизм, который неизбежно сопровождал распад суперконтинента, мог бы компенсировать это событие, если бы оно не было случайным совпадением. В результате причудливого дрейфа континентов и Родиния, и ее обломки были обнаружены вблизи экватора, в теплой зоне, где химическое выветривание происходило особенно быстро. Математические модели предполагают, что именно поэтому CO2упала ниже порога, при котором начинается ледниковый период («Nature», 2004, 428, 6980, 303-306). А когда эрозия началась, было уже слишком поздно ее остановить.
Надо признать, что положение континентов в позднем протерозое было настолько неудачным, насколько это возможно (с точки зрения жителей планеты). Смещение континентов определяется материальными течениями континентальной мантии, динамика которых в основном неизвестна. Но мы знаем, что в данном случае эти течения сконцентрировали всю сушу на Земле в один континент, расположенный точно на экваторе и расширяющийся по широте. Если бы он располагался на одном из полюсов или простирался с севера на юг, то возникшее оледенение исключило бы часть породы из процесса выветривания и тем самым предотвратило бы выход углекислого газа из атмосферы — в этом случае процесс мог бы остановиться. В конце протерозоя почти все основные участки суши находились вблизи экватора — и были открыты до тех пор, пока северный и южный ледниковые покровы не сомкнулись. Земля превратилась в ледяную сферу.
Geoecograph
Геоэкограф — это исследовательский блог с элементами научпопа. Об экологии без истерики, о географии без скуки. Геоэкограф — экология, экология человека, ландшафтная экология, палеоэкология, ландшафты, техногенные ландшафты, история ландшафтов, палеогеография, сукцессия растительности, экологические катастрофы, экологические проблемы.
- Главная страница
- О блоге
- Биосфера и человек
- Invasion (инвазии)
- Фитоиндикация
- Ссылки
Подпишитесь на Geoecograph
Великое кислородное событие: как микробы преобразовали Землю
«Великое событие оксигенации» (по Х. Холланду), кислородный взрыв, кислородная катастрофа или кислородная революция произошли на Земле в палеопротерозойскую эру (начиная примерно с 2,5 млрд лет назад).
В течение длительного времени свободный кислород, вырабатываемый фотосинтезирующими микроорганизмами, почти полностью потреблялся окисляющими породами. Самые древние микроорганизмы, найденные в виде окаменелостей, датируются примерно 3,5 миллиардами лет назад. Существуют некоторые косвенные доказательства того, что прокариотические микроорганизмы существовали около 3,9 миллиарда лет назад. Некоторые из них, возможно, были способны к фотосинтезу и выделяли свободный кислород.
Однако в это время атмосферные и земные условия ухудшились. Эта гипотеза подтверждается геохимическими данными: В древних породах присутствуют пирит, графит, магнетит, сидерит, лазурит, пектит, железные и марганцевые руды, то есть вещества, которые не могли образоваться в кислородной атмосфере.
Вероятно, кислород в атмосфере, поступающий от фотосинтезирующих микроорганизмов, использовался для окисления железа (которого на Земле предостаточно) и вулканических газов (метана, сероводорода, аммиака).
И теперь происходит резкий переход от восстановительных условий к окислительным. Точное время потрясения — Великого кислородного события — определить трудно. Но 1,9 миллиарда лет назад содержание кислорода составляло 1% от сегодняшнего значения (первый пункт Пастера).
Согласно Роберту Хейзену («История Земли…»), резкое увеличение количества кислорода в атмосфере до более чем 1% от сегодняшнего уровня произошло между 2,4 и 2,2 миллиардами лет назад.
Появление кислорода в атмосфере усилило процессы эрозии магматических пород, содержащих железо, превратив их в ржаво-красную коррозионную корку. Земля стала ярко-красной — цвета ржавчины. Можно сказать, что она приобрела «марсианский вид».
Хотя, возможно, не совсем так. Найдены палеосоли неоархейского периода (до 2.6-2.7 н.э.), обогащенные органическим веществом, образованным микробиальными слоями (по данным Ю.А. Кузнецова, А.В. Кузнецова, А.В. Кузнецова, А.В. Кузнецова, В.В. Ватанабе и др. — Геохимические доказательства существования наземных экосистем 2,6 млрд лет назад // Природа. 2000. V. 408. — PP. 576-578 ). Однако на земле преобладали «марсианские» пейзажи.
Несколько других событий совпадают почти «одновременно» с Великим кислородным событием.
Таким образом, первые ледники предположительно образовались в раннем протерозое. Были обнаружены следы двух крупных ледников, диагностированные по древним моренам, содержащим обломки ледникового тилла (тиллиты). Тиллиты более древнего ледникового периода (2,5-2,4 млрд. лет) известны в Канаде, Африке (часть серии Витватерсранд) и Индии. Толщина тилитоносных пород превышает гладкую, полированную поверхность архейского ледникового тиля. Следы второго ледника (возрастом около 2 миллиардов лет) были обнаружены в Канаде, Африке и Карелии.
Одна из причин: было достаточно кислорода для окисления атмосферного метана, самого важного парникового газа.
Палеопротерозой — это время, когда были накоплены огромные залежи железной руды — Джеспит.
В палеопротерозое содержание кислорода сильно менялось в течение сотен миллионов лет, но не составляло и 1% от сегодняшнего содержания кислорода. Эти переменные условия, должно быть, способствовали образованию толстых слоев яшпитов (железистых кварцитов — мелкозернистых железосиликатных пород, в которых тонкие железосодержащие прослойки (магнетит и гематит) чередуются с мелкозернистым кварцитом). Предполагается, что слои Джеспилита образовались в прибрежной зоне древних морей. В современном мире это просто невозможно. Для объяснения этого парадокса были выдвинуты различные гипотезы. Например, было предложено, что период образования джеспилитов был временем чрезвычайно сильной магматической активности (источник железа — сильная подводная вулканическая и фумарольная активность); что в период джеспилитов Земля прошла через облако космической железной пыли, которая выпала на поверхность и накапливалась; что в тропическом климате из супербазисных и основных пород образовались сильнейшие коры выветривания железа и продукты их разрушения спустились в прибрежные бассейны. Объяснение того, откуда взялось такое железное облако, требует другой гипотезы…..
