Откуда на Земле кислород? Какой же был источник кислорода на Земле.

Заметное увеличение содержания свободного кислорода в атмосфере Земли 2,4 млрд лет назад, по-видимому, явилось результатом очень быстрого перехода от одного равновесного состояния к другому. Первый уровень соответствовал крайне низкой концентрации О 2 — примерно в 100 000 раз ниже той, что наблюдается сейчас. Второй равновесный уровень мог быть достигнут при более высокой концентрации, составляющей не менее чем 0,005 от современной. Содержание кислорода между двумя этими уровнями характеризуется крайней неустойчивостью. Наличие подобной «бистабильности» позволяет понять, почему в атмосфере Земли было так мало свободного кислорода в течение по крайней мере 300 млн лет после того, как его стали вырабатывать цианобактерии (синезеленые «водоросли»).

В настоящее время атмосфера Земли на 20% состоит из свободного кислорода, который есть не что иное как побочный продукт фотосинтеза цианобактерий, водорослей и высших растений. Очень много кислорода выделяется тропическими лесами, которые в популярных изданиях нередко называют легкими планеты. При этом, правда, умалчивается, что за год тропические леса потребляют практически столько же кислорода, сколько образуют. Расходуется он на дыхание организмов, разлагающих готовое органическое вещество, — в первую очередь бактерий и грибов. Для того, чтобы кислород начал накапливаться в атмосфере, хотя бы часть образованного в ходе фотосинтеза вещества должна быть выведена из круговорота — например, попасть в донные отложения и стать недоступной для бактерий, разлагающих его аэробно, то есть с потреблением кислорода.

Суммарную реакцию оксигенного (то есть «дающего кислород») фотосинтеза можно записать как:
CO 2 + H 2 O + hν → (CH 2 O) + O 2 ,
где hν — энергия солнечного света, а (CH 2 O) — обобщенная формула органического вещества. Дыхание же — это обратный процесс, который можно записать как:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
При этом будет высвобождаться необходимая для организмов энергия. Однако аэробное дыхание возможно только при концентрации O 2 не меньше чем 0,01 от современного уровня (так называемая точка Пастера). В анаэробных условиях органическое вещество разлагается путем брожения, а на завершающих стадиях этого процесса нередко образуется метан. Например, обобщенное уравнение метаногенеза через образование ацетата выглядит как:
2(СH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 .
Если комбинировать процесс фотосинтеза с последующим разложением органического вещества в анаэробных условиях, то суммарное уравнение будет иметь вид:
CO 2 + H 2 O + hν → 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2 .
Именно такой путь разложения органического вещества, видимо, был основным в древней биосфере.

Многие важные детали того, как установилось современное равновесие между поступлением кислорода в атмосферу и его изъятием, остаются невыясненными. Ведь заметное увеличение содержания кислорода, так называемое «Великое окисление атмосферы» (Great Oxidation), произошло только 2,4 млрд лет назад, хотя точно известно, что осуществляющие оксигенный фотосинтез цианобактерии были уже достаточно многочисленны и активны 2,7 млрд лет назад, а возникли они еще раньше — возможно, 3 млрд лет назад. Таким образом, в течение по крайней мере 300 миллионов лет деятельность цианобактерий не приводила к увеличению содержания кислорода в атмосфере .

Предположение о том, что в силу каких-то причин вдруг произошло радикальное увеличение чистой первичной продукции (то есть прироста органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза цианобактерий), критики не выдержало. Дело в том, что при фотосинтезе преимущественно потребляется легкий изотоп углерода 12 С, а в окружающей среде возрастает относительное содержание более тяжелого изотопа 13 С. Соответственно, донные отложения, содержащие органическое вещество, должны быть обеднены изотопом 13 С, который скапливается в воде и идет на образование карбонатов. Однако соотношение 12 С и 13 С в карбонатах и в органическом веществе отложений остается неизменным несмотря на радикальные изменения в концентрации кислорода в атмосфере. Значит, всё дело не в источнике О 2 , а в его, как выражаются геохимики, «стоке» (изъятии из атмосферы), который вдруг существенным образом сократился, что и привело к существенному увеличению количества кислорода в атмосфере.

Обычно считается, что непосредственно до «Великого окисления атмосферы» весь образующийся тогда кислород расходовался на окисление восстановленных соединений железа (а потом серы), которых на поверхности Земли было довольно много. В частности, тогда образовались так называемые «полосчатые железные руды». Но недавно Колин Гольдблатт , аспирант Школы наук об окружающей среде при Университете Восточной Англии (Норвич, Великобритания), совместно с двумя коллегами из того же университета пришли к выводу о том, что содержание кислорода в земной атмосфере может быть в одном из двух равновесных состояний: его может быть или очень мало — примерно в 100 тысяч раз меньше, чем сейчас, или уже довольно много (хотя с позиции современного наблюдателя мало) — не менее, чем 0,005 от современного уровня.

В предлагаемой модели они учли поступление в атмосферу как кислорода, так и восстановленных соединений, в частности обратив внимание на соотношение свободного кислорода и метана. Они отметили, что если концентрация кислорода превышает 0,0002 от современного уровня, то часть метана уже может окисляться бактериями метанотрофами согласно реакции:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Но остальной метан (а его довольно много, особенно при низкой концентрации кислорода) поступает в атмосферу.

Вся система находится в неравновесном состоянии с точки зрения термодинамики. Основной же механизм восстановления нарушенного равновесия — окисление метана в верхних слоях атмосферы гидроксильным радикалом (см. Колебания метана в атмосфере: человек или природа — кто кого , «Элементы», 06.10.2006). Гидроксильный радикал, как известно образуется в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Но если кислорода в атмосфере много (по меньшей мере 0,005 от современного уровня), то в верхних ее слоях образуется озоновый экран, хорошо защищающий Землю от жестких ультрафиолетовых лучей и вместе с тем мешающий физико-химическому окислению метана.

Авторы приходят к несколько парадоксальному выводу о том, что само по себе существование оксигенного фотосинтеза не является достаточным условием ни для того, чтобы сформировалась богатая кислородом атмосфера, ни для того, чтобы возник озоновый экран. Данное обстоятельство следует учитывать в тех случаях, когда мы пытаемся найти признаки существования жизни на других планетах основываясь на результатах обследования их атмосферы.

Все в мире состоит из химических элементов. Они же поддерживают жизнь на Земле. Одну из важнейших ролей в этом деле играет кислород. С ним связано множество интересных фактов, а круговорот кислорода в природе удивителен. Хотите знать больше? Читайте далее.

Итак, что интересного связано с кислородом:

1. Производят не только растения.

Многим со школьной скамьи известно, что оксиген образуется в результате фотосинтеза растений. Да, именно преобразование углекислого газа растительностью - основной источник кислорода на Земле. Однако он не единственный.

Часть газа образуется в верхних слоях атмосферы под действием солнечных лучей. Нагреваясь, молекулы воды распадаются на составные части, образуя водород и кислород.

Кроме того, около половины всего свободного кислорода на планете производит фитопланктон. Углекислый газ, который они потребляют, попадает в атмосферу в результате дыхания животных и людей, а также во время окисления, то есть сгорания.

Просто круговорот кислорода в биосфере можно описать так:

• Под действием солнечного тепла вода из мирового океана испаряется. Ее часть, попадая в верхний слой атмосферы, распадается на H2 и O2.
• Кислород, в свою очередь, перерабатывается живыми существами, которые выделяют углекислый газ. Также угарный газ попадает в атмосферу в результате сгорания материи.
• В процессе фотосинтеза углекислый газ преобразуется снова в кислород.

Примечание: также оксиген выделяется из известняка путем выветривания породы.

2. Кислород использовали алхимики.

Об этом элементе было известно еще в VIII веке. Первые упоминания встречаются в рукописях китайского ученого-алхимика Мао Хоа. Конечно, тогда кислород имел совсем другое название, да и о его свойствах мало что было известно.

Легендарный художник, инженер, биолог и химик Леонардо да Винчи изучал кислород, но даже не догадывался, что кислород - это отдельный элемент.

Однако официальное открытие кислорода произошло в 1774 году. Статус первооткрывателя достался Джозефу Пристли, которому удалось выделить кислород из оксида ртути. Ученый долго не мог понять, почему во время нагревания материала свеча, которая служила источником света, горела намного ярче. Впоследствии Пристли назвал это явление «Второй воздух». Но, как часто бывает в научном мире, здесь не обошлось без скандала.

Позже стало известно, что шведский естествоиспытатель Карл Шееле смог выделить кислород из оксида азота в 1771 году. Данные об эксперименте он записал в свою книгу, которую, к несчастью, издали только через шесть лет.

3. Кислород нужен везде.

Применение кислорода не ограничивается простым дыханием. Его широко используют как окислитель в металлургии. Без него было бы невозможно производство качественной стали. Также газ используется в ацетиленовых и водородных горелках для резки и сварки металла.

Кислород обеспечивает работу тепловых электростанций. Двигателя внутреннего сгорания никогда бы не было, так как наличие оксигена - главное условие детонации топливной смеси.

Космонавты, военные летчики и аквалангисты используют для дыхания баллоны, наполненные кислородом в связке с гелием или другими инертными газами. Таким образом, кислород способствует исследованию океанов и космоса.

4. Кислород - источник красоты и здоровья.

Кислород широко применяется в медицине и при изготовлении косметических средств. С его помощью спасают от удушья, гипоксии, приступов астмы и людей с болезнями сердечно-сосудистой системы.

Безалкогольные коктейли с высоким содержанием оксигена полезны для беременных женщин. Кислородный напиток способствует нормальному развитию плода. Также подобные составы улучшают психоэмоциональное состояние человека, и придают бодрости.

Оксиген добавляют в косметические кремы и маски. Эти средства улучшают состояние кожи, омолаживают и придают эластичности.

5. Три триллиона тонн кислорода в год.

Примерно столько кислорода вырабатывает вся зеленая растительность Земли. Крупнейшими природными фабриками этого газа считаются леса Амазонки и сибирская тайга. Эти места называют «легкими планеты».

Примечание: одно большое дерево вырабатывает достаточно кислорода, чтобы обеспечить двух человек - примерно 125 кг газа в год.

6. Концентрация кислорода снижается.

Несмотря на кажущийся внушительным объем выработки, содержание кислорода в атмосфере составляет в лучшем случае 21%. В больших городах это значение опускается до 18%. К слову, всего несколько миллионов лет назад этот показатель был в два раза выше.

Причина снижения концентрации кислорода в увеличении количества автомобильного транспорта, производственных выбросов и неконтролируемой вырубке лесов.

7. Что будет, если кислород исчезнет на одну секунду?

Если это случится, мир, который мы знаем, перестанет существовать. Нет, растения не завянут, а животные не задохнутся. Все будет значительно хуже. Оксиген входит в состав практически всего и всех.

Бетонные здания тут же рухнут, моря и океаны испарятся, живые существа высохнут и превратятся в пыль. Как дополнение к апокалиптической картине представьте, что земная кора разверзлась, а небо стало черным как ночь.

Увеличение количества оксигена в 10 раз также не сулит ничего хорошего, хотя последствия не будут столь драматичными. Этот сценарий чреват массовым вымиранием из-за гипервентиляции легких. Однако скорее всего жизнь не исчезнет, а возродится в иной форме.

8. В земле кислорода больше, чем в воздухе.

Мало кто знает, но основной запас кислорода сосредоточен не в атмосфере. Свободного кислорода на планете всего 0,36%, при этом около 99,5% газа входит в состав горных пород, силикатов, мантии и земной коры.

9. Эра гигантов стала возможной благодаря кислороду.

До начала господства динозавров, 300 миллионов лет назад, концентрация кислорода была в десятки раз больше. Ученые считают, что во многом благодаря этому на Земле долгое время правили гиганты.

В те далекие времена на планете можно было встретить сороконожку длинной 2,5 метра. Среди ящеров самым большим был Дредноут. Его длина достигала 26–30 м, а вес - 60 тонн.

Относительно недавно благодаря оксигену по планете ходил шестиметровый ленивец. А как насчет двухметрового кабана, который питался преимущественно мясом?! Некоторые млекопитающие, например индрикотерий, чей рост достигал 8 м, а вес 15 тонн, не уступали в размерах динозаврам.

Первобытные люди успели поохотиться на мамонта, который почти в два раза превосходил по размерам современного слона. В последний ледниковый период бок о бок с человеком разумным обитали медведи под три метра в холке и двухметровые олени.

10. Ком в горле и пересыхающие глаза.

При сильном стрессе у человека инстинктивно учащается дыхание. Нередко увеличивается и объем вдыхаемого кислорода за раз. Из-за этого голосовая щель расширяется, вызывая ощущение кома в горле.

Примечание: нередко ком в горле - это симптом серьезных заболеваний, поэтому, если со временем подобное ощущение не проходит, обратитесь к врачу.

Те, кто поднимался высоко в горы, сталкивался с синдромом сухого глаза. Это неприятное ощущение объясняется низким содержанием кислорода на большой высоте. Дело в том, что роговица не содержит сосудов, а питательные вещества и оксиген доставляются к ней через слезные железы наружным способом.

Круговорот кислорода - поразительный процесс. Представить сложно, как на нашей планете все взаимосвязано и насколько хрупка эта связь. Поэтому мы, как разумные существа, должны взять на себя ответственность за сохранение баланса в природе.

Существует мнение, что "легкими планеты" являются леса, поскольку считается, что именно они — основные поставщики кислорода в атмосферу. Однако на самом деле это не так. Главные производители кислорода живут в океане. Этих малышей невозможно увидеть без помощи микроскопа. Но все живые организмы Земли зависят от их жизнедеятельности.

Никто не спорит, что леса, конечно же, надо сохранять и оберегать. Однако вовсе не из-за того, что они являются этими пресловутыми "легкими". Потому что на самом деле их вклад в обогащение нашей атмосферы кислородом практически равен нулю.

Никто не будет отрицать тот факт, что кислородную атмосферу Земли создали и продолжают поддерживать именно растения. Это случилось потому, что они научились создавать органические вещества из неорганических, используя при этом энергию солнечного света (как мы помним из школьного курса биологии, подобный процесс называется фотосинтез). В результате этого процесса листья растений выделяют свободный кислород как побочный продукт производства. Этот необходимый нам газ поднимается в атмосферу и потом равномерно распределяется по ней.

По данным различных институтов, таким образом, на нашей планете ежегодно выбрасывается в атмосферу около 145 млрд тонн кислорода. При этом большая часть его расходуется, как это не удивительно, вовсе не на дыхание обитателей нашей планеты, а на разложение погибших организмов или, попросту говоря, на гниение (примерно 60 процентов от используемого живыми существами). Так что, как видите, кислород не только дает нам возможность дышать полной грудью, но и выступает в роли своеобразной печки для сжигания мусора.

Как мы знаем, любое дерево не вечно, поэтому, когда, наступает время, оно умирает. Когда ствол лесного гиганта падает на землю, его организм разлагают тысячи грибов и бактерий в течение весьма длительного времени. Все они используют при этом кислород, который вырабатывается оставшимися в живых растениями. Согласно подсчетам исследователей, на подобную "уборку территории" уходит около восьмидесяти процентов "лесного" кислорода.

Но оставшиеся 20 процентов кислорода вовсе не поступают в "общий атмосферный фонд", а также используются лесными жителями "на местах" в своих целях. Ведь животным, растениям, грибам и микроорганизмам тоже нужно дышать (без участия кислорода, как мы помним, многие живые существа не смогли бы получать из пищи энергию). Поскольку все леса, как правило, являются весьма густонаселенными зонами, этого остатка хватает только для того, что бы удовлетворить кислородные потребности лишь своих собственных обитателей. Для соседей (например, жителей городов, где собственной растительности мало) уже ничего не остается.

Кто же тогда является на нашей планете основным поставщиком этого необходимого для дыхания газа? На суше это, как ни странно… торфяные болота. Всем известно, когда на болоте погибают растения, их организмы не разлагаются, поскольку бактерии и грибы, делающие эту работу, не могут жить в болотной воде — там много природных антисептиков, выделяемых мхами.

Итак, отмершие части растений, не разлагаясь, опускаются на дно, образуя залежи торфа. А если нет разложения, то и кислород не тратится. Поэтому болота отдают в общий фонд около 50 процентов вырабатываемого ими кислорода (другую половину используют сами обитатели этих неприветливых, но весьма полезных мест).

Тем не менее взнос болот в общий "благотворительный фонд кислорода" не очень-то и велик, ведь их на Земле не так много. Куда активнее участвуют в "кислородной благотворительности" микроскопические океанические водоросли, совокупность которых ученые называют фитопланктоном. Эти существа настолько малы, что простым глазом их разглядеть практически невозможно. Однако их общее количество весьма велико, счет идет на миллионы миллиардов.

Весь мировой фитопланктон вырабатывает в 10 раз больше кислорода, чем нужно ему самому для дыхания. Хватает для того, что бы обеспечить полезным газом и всех остальных обитателей вод, и в атмосферу попадает немало. Что касается затрат кислорода на разложение трупов, то в океане они весьма низки — примерно 20 процентов от общей выработки.

Происходит это из-за того, что мертвые организмы сразу же поедаются падальщиками, которых в морской воде живет великое множество. Тех, в свою очередь, после смерти съедят другие падальщики, и так далее, то есть трупы в воде практически никогда не залеживаются. Те же останки, на которые уже ни для кого не представляют особого интереса, падают на дно, где мало кто живет, и разлагать их просто некому (так образуется всем известный ил), то есть и в данном случае кислород не расходуется.

Итак, океан поставляет в атмосферу около 40 процентов того кислорода, которое произвел фитопланктон. Именно этот запас и расходуется в тех областях, где кислорода вырабатывается очень мало. К последним, кроме городов и деревень относятся пустыни, степи и луга, а также горы.

Так что, как это ни странно, род человеческий живет и здравствует на Земле именно за счет микроскопических "кислородных фабрик", плавающих по поверхности океана. Именно их-то и следует называть "легкими планеты". И всячески оберегать от нефтяных загрязнений, отравлений тяжелыми металлами и т. п., поскольку, если они вдруг прекратят свою деятельность, нам с вами будет просто нечем дышать.

Со школьной скамьи все помнят, что леса - это легкие нашей планеты. Но, как выяснилось, это не совсем верное утверждение. Да, кислород для нашей атмосферы действительно производят зеленые растения. В ходе фотосинтеза они поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но леса играют в этом процессе не единственную и далеко не главную роль.

По подсчетам ученых, растения нашей планеты ежегодно вырабатывают более 140 тонн кислорода. Около 60% этого объема расходуется на процессы окисления и разложения органических веществ, то есть всевозможных остатков растительных и животных организмов. А оставшаяся часть поглощается в результате дыхания обитателями планеты. Экваториальные леса являются крупнейшими производителями кислорода на планете. Но они же являются и крупнейшими его потребителями. Дело в том, что влажные леса обладают наибольшим биоразнообразием и плотностью животного населения среди всех экосистем планеты. Жизнью там пропитан буквально каждый миллиметр пространства. Многие существа потребляют в процессе дыхания кислород, а гниющие растительные остатки тратят на себя оставшуюся часть полезного газа. Таким образом, получается, что эти леса производят кислород, достаточный только для их собственного существования. Чуть лучше обстоят дела в лесах умеренного пояса, где пространство не так изобилует жизнью. Но и хвойные леса, как выяснили ученые, нельзя назвать основными производителями кислорода планеты в полном смысле этого слова.

Откуда же тогда берется на планете кислород, количество которого достаточно для существования всего человечества и миллиардов других живых существ? Как оказалось, главным производителем полезного кислорода на планете является фитопланктон. Да, именно эти невидимые труженики обеспечивают существование большей части жизни как в океане, так и на суше. К фитопланктону относятся одноклеточные водоросли и цианобактерии, способные продуцировать кислород. По подсчетам ученых, мировой фитопланктон вырабатывает в 10 раз больше кислорода, чем расходует сам. А на разложение органических остатков в океанах тратится гораздо меньше кислорода, чем на суше.

Таким образом, около 40% производимого фитопланктоном кислорода не расходуется на месте, а поступает в атмосферу. Благодаря этим микроскопическим созданиям существует жизнь в жарких пустынях и в полярных областях, где нет своих производителей кислорода. Ну и конечно, благодаря работе фитопланктона существует на планете все человечество. Поэтому не стоит забывать, что Земля - это наш общий дом, к которому нужно относиться бережнее. Ведь даже крошечные водоросли играют в существовании планеты такую важную роль.

Сегодня мы подробнее поговорим о том, откуда берется кислород.

Фотосинтез

Как известно, кислород вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Фотосинтез происходит именно в зеленых частях растения, где больше всего пигмента хлорофилла. Для того чтобы произошел фотосинтез, необходимо наличие двух элементов: солнечной энергии и воды. Используя энергию солнца, растение поглощает из воздуха углекислый газ, и под действием энергии солнца этот газ вступает в реакцию с водой, которое растение поглощает корнями из земли. Продуктами фотосинтеза являются углеводы, которыми питаются сами растения, и так необходимый нам кислород. Установлено, что растения выделяют приблизительно 6 тонн кислорода на тонну вещества, израсходованного на дыхание.

Можно составить такую формулу фотосинтеза: вода + углекислый газ + солнечная энергия = углеводы + кислород.

Однако неправильно думать, что лишь наземные растения выделяют кислород. На самом деле, львиную долю кислорода (более 80 %) выделяют водоросли в морях и океанах. Эти сине-зеленые водоросли или фитопланктон поставляют кислород в атмосферу Земли сквозь толщу воды. Именно поэтому правильней называть океаны и моря "легкими нашей планеты".