Атмосфере нашей планеты потребовалось много времени, чтобы развиться до ее текущего пригодного для дыхания состояния. А кислород стал самым распространённым в земной коре элементом, на его долю приходится около 47 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — это количество составляет примерно 85,82 %. В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % или более привычная цифра – 21%.

Самая ранняя смесь газов, образовавшая толстый слой вокруг нашей остывающей планеты около 4,6 миллиарда лет назад, мало чем отличалась от вещества, выбрасываемого вулканами, такого как метан, сероводород и углекислый газ. Это были жестокие времена – Земля постоянно бомбардировалась метеоритами из внутренней части Солнечной системы, которые обеспечивали постоянный приток свежих материалов. Более крупные столкновения иногда нагревали поверхность, выпаривая всю собранную влагу и обеспечивая стабильно горячую атмосферу планеты. Тем не менее, этот постоянный поток минералов и химических элементов, сыплющихся с неба, также обеспечивал достаточное количество азота в виде аммиака.

Когда в атмосфере Земли появился кислород?

Фото / Mudassir Ali / pexels.com

Ученые многого не знают о деталях этого процесса. Например, они не совсем уверены, каким количеством азота обеспечил нашу планету тот ранний минеральный дождь. Но примерно 4,3 миллиарда лет назад адские условия на Земле наконец начали стабилизироваться, и поток космических гостей ослаб.

Вода в водоемах аккумулировалась достаточно долго, чтобы могли произойти различные геохимические реакции – и, это предшествовало биохимии, – в результате, которой на планете образовалась пригодная для жизни атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа и азота. Планета, скоре всего была свободна от кислорода в течение первого миллиарда лет или около того.

Также есть теория о ом, что до появления первых фотосинтезирующих микробов в архее 3,5 млрд лет назад в атмосфере его практически не было. Свободный кислород в больших количествах начал появляться в палеопротерозое (3—2,3 млрд лет назад) в результате глобального изменения состава атмосферы (кислородной катастрофы). Первый миллиард лет практически весь кислород поглощался растворённым в океанах железом и формировал залежи джеспилита. 3—2,7 млрд лет назад кислород начал выделяться в атмосферу и 1,7 млрд лет назад достиг 10 % от нынешнего уровня.

Что такое кислородная катастрофа?

Фото / Curioso Photography / pexels.com

Самые ранние процессы биохимии на Земле должны были решить главную задачу, как использовать энергию, удерживающую вместе один набор молекул, и перепрофилировать ее для создания органических материалов. В какой-то момент в начале этого процесса, возможно, в течение сотен миллионов лет после образования Земли, был обнаружен механизм для извлечения энергии, обеспечиваемой солнечным светом, из определенных химических веществ. Хотя технически это был фотосинтез, он не был из тех, который выделял кислород. А вот «кислородная» разновидность фотосинтеза, по-видимому, могла возникнуть еще 3 миллиарда лет назад, если не раньше. Такой биологический механизм дал примитивным микробам импульс, позволив им рекомбинировать углекислый газ и воду, образуя необходимые им строительные блоки, а также огромный заряд энергии.

Несмотря на сотни миллионов лет выделения кислорода, бурлящего в океанах планеты, атмосфера изменилась в связи с этим минимально. Одним из возможных объяснений отсутствия кислорода является продолжающийся дождь из метеоритов, которые оставляли летучие газы, которые легко вступают в реакцию с мельчайшими следами молекулярного кислорода, связывая его.

Однако около 2,4 миллиардов лет назад количество накопленного кислорода, наконец, достигло значительных уровней, что привело к тому, что стало известно под названием кислородная революция.

Кислородная катастрофа — глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее в самом начале протерозоя около 2,45 млрд лет назад. Результатом кислородной катастрофы стали появление в составе атмосферы свободного кислорода и изменение общего характера атмосферы с восстановительного на окислительный.

Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7—2,8 млрд лет назад. Выделяющийся кислород практически сразу расходовался на окисление горных пород, растворённых соединений и газов атмосферы. Высокая концентрация создавалась лишь локально в пределах бактериальных матов (т. н. «кислородные карманы»). После того как поверхностные породы и газы атмосферы оказались окисленными, кислород начал накапливаться в атмосфере в свободном виде.

Был ли кислород полезен для жизни на Земле?

Фото / Jeremy Bishop /  pexels.com

Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, сделав их доминирующими.

Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной, неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными, ограниченными ранее лишь «кислородными карманами»; анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «биосфера вывернулась наизнанку»). В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового слоя, существенно расширившего границы биосферы, и к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным) кислородного дыхания. Примерно 600 миллионов лет назад концентрация молекулярного кислорода в нашей атмосфере наконец достигла примерно 21 процента. Этот период истории совпадает с возникновением сложных живых существ.

С начала кембрия, 540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от 15 % до 30 % по объёму. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время.

Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана, а не деревьями как многие думают. Около 60 % кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения, 80 % кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов.

Деятельность человека очень мало влияет на количество свободного кислорода в атмосфере. При нынешних темпах фотосинтеза понадобится около 2000 лет, чтобы восстановить весь кислород в атмосфере.

Потеряет ли когда-нибудь Земля свой кислород?

Фото / Pixabay / pexels.com

Пока стабильно светит Солнце, цветут растения и идет фотосинтез, кажется, что на нашей планете всегда будет довольно приличное количество кислорода в атмосфере. Но это равновесие не является постоянным. Примерно через миллиард лет солнечная радиация будет достаточно сильной, чтобы разорвать молекулы углекислого газа на части. Без него фотосинтез остановится, и кислород упадет до уровней зарождения Земли.

По мере того, как Солнце постепенно расходует запасы своего водородного горючего, оно становится всё горячее, а его светимость медленно, но неуклонно увеличивается. К возрасту 5,6 млрд лет, через 1,1 млрд лет от настоящего времени, наше дневное светило будет ярче на 11 %, чем сейчас.

Уже в этот период, ещё до стадии красного гиганта, возможно исчезновение или кардинальное изменение жизни на Земле из-за повышения температуры поверхности планеты, вызванного увеличением яркости Солнца и парникового эффекта, индуцированного парами воды. К этому моменту Солнце достигнет максимальной поверхностной температуры (5800 К) за всё своё время эволюции в прошлом и будущем вплоть до фазы белого карлика; на следующих стадиях температура фотосферы будет меньше. Несмотря на прекращение жизни в её современном понимании, жизнь на планете может остаться в глубинах морей и океанов.

Фото / Pixabay / pexels.com

К возрасту 8 млрд лет (через 3,5 млрд лет от настоящего времени) яркость Солнца возрастёт на 40 %. К тому времени условия на Земле, возможно, будут подобны нынешним условиям на Венере: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос. Скорее всего, это приведёт к окончательному уничтожению всех наземных форм жизни. По мере того как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться.

Когда Солнце достигнет возраста 10,9 млрд лет (6,4 млрд лет от настоящего времени), водород в ядре кончится, а образовавшийся из него гелий, ещё неспособный в этих условиях к термоядерному горению, станет сжиматься и уплотняться ввиду прекращения ранее поддерживавшего его «на весу» потока энергии из центра. Горение водорода будет продолжаться в тонком внешнем слое ядра. На этой стадии радиус Солнца достигнет 1,59 R⊙, а светимость будет в 2,21 раза больше современной. В течение следующих 0,7 млрд лет Солнце будет относительно быстро расширяться (до 2,3 R⊙), сохраняя почти постоянную светимость, а его температура упадёт с 5500 K до 4900 K. В конце этой фазы, достигнув возраста 11,6 млрд лет (через 7 млрд лет от настоящего времени) Солнце станет субгигантом.

Приблизительно через 7,6—7,8 миллиардов лет, к возрасту 12,2 млрд лет, ядро Солнца разогреется настолько, что запустит процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой бурное расширение внешних оболочек светила, таким образом Солнце покинет главную последовательность, на которой оно находилось почти с момента своего рождения, и станет красным гигантом. В этой фазе радиус Солнца увеличится в 256 раз по сравнению с современным. Расширение звезды приведёт к сильному увеличению её светимости (в 2700 раз) и охлаждению поверхности до 2650 К. По-видимому, расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. При этом исследования показывают, что ещё до этого момента из-за усиления солнечного ветра вследствие многократного увеличения площади поверхности Солнце потеряет более 28 % своей массы, и это приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту, избежав таким образом поглощения внешними слоями солнечной плазмы. Хотя исследования 2008 года показывают, что Земля, скорее всего, будет поглощена Солнцем вследствие замедления вращения Солнца и последующих приливных взаимодействий с его внешней оболочкой, которые приведут к приближению орбиты Земли обратно к Солнцу. Даже если Земля избежит поглощения Солнцем, вся вода на ней перейдёт в газообразное состояние, а её атмосфера будет сорвана сильнейшим солнечным ветром.

Фото превью / Jaymantri / pexels.com

Откуда на Земле взялся кислород?