Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Несмотря на свой заслуженный возраст, эти древние горы доказывают, что атмосфера и гидрологический цикл той эпохи удивительным образом напоминали современные. Сам факт отложения этих пород указывает на наличие на планете большого количества воды. Эти отложения, вероятно, образовались в результате эрозии поверхности планеты под действием дождевой воды. Это означает, что температура атмосферы Земли способствовала таким процессам, как испарение, образование облаков и выпадение осадков. Минеральный состав пород позволяет делать выводы относительно состава атмосферы того времени. Там содержатся карбонаты, которые могли образоваться в результате реакции между диоксидом углерода (углекислым газом) и силикатами, как это происходит и сейчас. Так что мы вполне можем заключить, что в атмосфере присутствовал диоксид углерода. Кроме того, в составе этих пород есть разные оксиды железа, которые по законам химии не могли возникнуть ни в атмосфере, напоминающей атмосферу Юпитера, ни в атмосфере с высоким содержанием кислорода. Из этого следует, что в тот период в атмосфере Земли содержались лишь следовые количества кислорода. Наконец, можно заключить, что основным компонентом атмосферы тогда, как и теперь, был азот, поскольку этот почти инертный газ практически не образуется живыми организмами. Нам не известны химические или биологические процессы, которые могли бы создать атмосферу с таким высоким содержанием азота, так что азот должен был находиться в атмосфере Земли с самого начала. Итак, 4 млрд лет назад атмосфера Земли, скорее всего, состояла в основном из азота с примесью диоксида углерода и водяных паров, а также следовых количеств других газов, включая кислород. Но в ней практически не было метана, аммиака и водорода.

Эти выводы, основанные на анализе самых древних гор, подтверждаются и другими данными, позволяющими пролить свет на происхождение ранней атмосферы Земли. Речь идет о содержании в современной атмосфере редких инертных газов, в частности неона. Неон — седьмой по распространенности элемент во Вселенной. Он в изобилии наличествовал в облаках пыли и газа, из которых сформировалась Земля и другие планеты Солнечной системы. Это инертный газ, и, следовательно, он еще менее способен на реакции, чем азот. Если бы исходная атмосфера Земли пережила бомбардировку метеоритами, в ней бы содержалось примерно столько же неона, сколько азота. В действительности соотношение неона к азоту в нашей атмосфере составляет 1:60 000. Если когда-то у Земли и была атмосфера, напоминающая атмосферу Юпитера, она должна была исчезнуть в самом начале жесточайших метеоритных бомбардировок.

Так как же образовалась современная атмосфера? По-видимому, ее создали вулканы. Вулканы выбрасывают пары серы (которые осаждаются дождевой водой), азот и углекислый газ (примерно в «правильном» соотношении) и небольшое количество неона, но практически не выделяют метана, аммиака или кислорода.

Откуда же взялся кислород? Можно назвать лишь два возможных источника кислорода в атмосфере. Самым важным, без сомнения, является фотосинтез , в ходе которого растения, водоросли и цианобактерии с помощью зеленого пигмента хлорофилла захватывают энергию солнечного света и используют ее для расщепления молекулы воды. Побочным продуктом этой реакции является кислород, который выделяется в атмосферу, тогда как энергетически богатые продукты расщепления воды используются для связывания диоксида углерода из воздуха и его превращения в сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, составляющие органическую материю. Таким образом, в процессе фотосинтеза из воды и углекислого газа под действием солнечного света образуется органическое вещество и — в качестве побочного продукта — кислород.

Если бы фотосинтез был единственным процессом жизнедеятельности на планете, кислород в атмосфере мог бы накапливаться вплоть до полного исчерпания углекислого газа. А затем все процессы остановились бы. Понятно, что это не так: некоторые процессы происходят с потреблением кислорода, включая реакции с минералами в составе горных пород, с океанами и вулканическим газами. Однако в современном мире практически весь кислород, выделяемый растениями, расходуется животными, грибами и бактериями, которые используют кислород для дыхания — «сжигания» (окисления) органических веществ из пищи. Они извлекают из пищи необходимую для жизни энергию и выделяют в воздух углекислый газ [9] Растения, водоросли и цианобактерии тоже дышат, используя некоторое количество кислорода, выпущенного в воздух в процессе фотосинтеза, для окисления углеводородных продуктов фотосинтеза и извлечения запасенной в них энергии. . Поскольку животные, бактерии и грибы потребляют органические вещества, содержащиеся в других организмах, их можно отнести к группе потребителей . Все они получают энергию за счет дыхания — контролируемого сжигания сахаров, жиров и белков, синтезируемых производителями в процессе фотосинтеза. Суммарная реакция процесса дыхания, в которой потребляются кислород и сахара, а выделяются вода и углекислый газ, практически полностью противоположна реакции фотосинтеза и потребляет примерно столько же кислорода, сколько образуется при фотосинтезе. В обратном процессе в результате сжигания потребляемой нами пищи под действием кислорода регенерируется углекислый газ, необходимый для продолжения фотосинтеза; так что мы не должны чувствовать себя паразитами — растения нуждается в нас не меньше, чем мы нуждаемся в них.