Наша планета является сложной, динамично развивающейся уже на протяжении более чем 4,5 миллиарда лет системой. Все компоненты этой системы (твердое тело Земли, гидросфера, атмосфера, биосфера), взаимодействуя друг с другом, непрерывно изменялись в непростой, подчас неочевидной взаимосвязи. Современная Земля – промежуточный итог этой длительной эволюции.
Один из важнейших компонентов системы, которую представляет собой Земля – атмосфера, непосредственно соприкасающаяся и с литосферой, и с водной оболочкой, и с биосферой, и с солнечным излучением. На некоторых этапах развития нашей планеты атмосфера переживала весьма значительные изменения с далеко идущими последствиями. Одно из таких глобальных изменений носит название кислородной катастрофы. Значение этого события в истории Земли исключительно велико. Ведь именно с ним были связаны дальнейшие пути развития жизни на планете.
Что такое кислородная катастрофа
Термин возник в начале второй половины XX века, когда на основе изучения процессов докембрийского осадконакопления был сделан вывод о скачкообразном повышении содержания кислорода до 1 % от современного его количества (точки Пастера). В результате атмосфера приняла устойчиво окислительный характер. Это, в свою очередь, привело к развитию форм жизни, использующих вместо ферментативного брожения (гликолиза) значительно более эффективное кислородное дыхание.
Современные исследования внесли существенные уточнения в ранее существующую теорию, показав, что содержание кислорода на Земле и до, и после границы архея и протерозоя значительно колебалось, и в целом история атмосферы гораздо сложнее, нежели представлялось ранее.
Древнейшая атмосфера и деятельность примитивной жизни
Первичный состав атмосферы нельзя установить с абсолютной точностью, да и вряд ли он был в ту эпоху постоянным, однако ясно, что основу его составляли вулканические газы и продукты их взаимодействия с породами земной поверхности. Существенно то обстоятельство, что среди них не могло быть кислорода – он не является вулканическим продуктом. Ранняя атмосфера, таким образом, была восстановительной. Практически весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение.
Геохимическая и инсоляционная обстановки, вероятно, способствовали формированию матов – слойчатых сообществ прокариотных организмов, причем некоторые из них уже могли осуществлять фотосинтез (сначала аноксигенный, например, на основе сероводорода). Довольно скоро, по-видимому, уже в первой половине архея, цианобактерии освоили высокоэнергетический кислородный фотосинтез, который и стал виновником процесса, получившего наименование кислородной катастрофы на Земле.
Вода, атмосфера и кислород в архее
Необходимо помнить, что примитивный ландшафт отличался прежде всего тем, что вряд ли правомерно говорить об устойчивой границе «суша – море» для той эпохи из-за интенсивного размыва суши вследствие отсутствия растений. Правильнее будет представить себе часто затопляемые обширные участки с крайне непостоянной береговой линией, таковы были условия существования цианобактериальных матов.
Выделяемый ими кислород – отходы жизнедеятельности – поступал в океан и в нижние, а потом и в верхние слои атмосферы Земли. В воде он окислял растворенные металлы, прежде всего железо, в атмосфере – газы, входившие в ее состав. Кроме того, он расходовался на окисление органики. Никакого накопления кислорода не происходило, имели место лишь локальные повышения его концентрации.
Долгое становление окислительной атмосферы
В настоящее время кислородный скачок конца архея связывают с изменениями в тектоническом режиме Земли (формирование настоящей континентальной коры и становление тектоники плит) и вызванным ими изменением характера вулканической активности. Следствием его стало снижение парникового эффекта и длительное Гуронское оледенение, тянувшееся от 2,1 до 2,4 млрд лет. Известно также, что вслед за скачком (примерно 2 млрд лет назад) последовало падение содержания кислорода, причины которого пока неясны.
В течение почти всего протерозоя, до 800 млн лет назад, концентрация кислорода в атмосфере колебалась, оставаясь, однако, в среднем весьма низкой, хотя уже и выше, чем в архее. Предполагается, что подобный неустойчивый состав атмосферы связан не только с биологической деятельностью, но и в немалой степени с тектоническими явлениями и режимом вулканизма. Можно сказать, что кислородная катастрофа в истории Земли растянулась почти на 2 миллиарда лет – это было не столько событие, сколько длительный сложный процесс.
Жизнь и кислород
Появление в океане и атмосфере свободного кислорода как побочного продукта фотосинтеза привело к тому, что получили развитие аэробные организмы, способные к усвоению и использованию в жизнедеятельности этого токсичного газа. Отчасти это объясняет тот факт, что в течение столь долгого периода кислород не накапливался: довольно быстро появились формы жизни, утилизировавшие его.
Кислородный всплеск на рубеже архей–протерозой коррелирует с так называемым событием Ломагунди-Ятулий – изотопной аномалией углерода, прошедшего через органический цикл. Возможно, этот всплеск привел к расцвету ранней аэробной жизни, примером чему может служить франсвильская биота с датировкой около 2,1 млрд лет назад, включающая предположительно первые на Земле примитивные многоклеточные организмы.
Вскоре, как уже отмечалось, содержание кислорода упало и далее колебалось вблизи довольно низких значений. Может быть, вспышка жизни, вызвавшая повышенный расход кислорода, которого было все-таки еще весьма мало, сыграла некоторую роль в этом падении? В дальнейшем, однако, неизбежно должны были возникать своего рода «кислородные карманы», где аэробная жизнь существовала достаточно комфортно и предпринимала неоднократные попытки «выйти на многоклеточный уровень».
Последствия и значение кислородной катастрофы
Итак, глобальные перемены в составе атмосферы не носили, как выяснилось, катастрофического характера. Однако последствия их действительно кардинально изменили нашу планету.
Возникли формы жизни, строящие свою жизнедеятельность на высокоэффективном кислородном дыхании, что создало предпосылки для последующего качественного усложнения биосферы. В свою очередь оно было бы невозможно без формирования озонового слоя атмосферы Земли – еще одного последствия появления в ней свободного кислорода.
Кроме того, многие анаэробные организмы не смогли приспособиться к наличию этого агрессивного газа в среде их обитания и вымерли, прочие же вынуждены были ограничиться существованием в бескислородных «карманах». По образному выражению советского и российского ученого, микробиолога Г. А. Заварзина, биосфера в результате кислородной катастрофы «вывернулась наизнанку». Следствием этого стало второе великое кислородное событие в конце протерозоя, имевшее итогом окончательное становление многоклеточной жизни.
