Основи біогеохімії

Рис. 2.15. Взаємозв'язки між різними теоретичними і концептуальними моделями виникнення життя. Пунктири і суцільні лінії на

рисунку з'єднують механізми з запропонованим метаболізмом у перших організмів

 

Сучасні ізотопні дані, отримані для метаморфічних порід Гренландії, свідчать про виникнення життя біля 3,8 мільярдів років назад. Потім,  протягом дуже короткого (з геологічної точки зору, звичайно), можливо, не більш ніж 600 мільйонів років, періоду життя виникло, диференціювалось і почало розвиватись.

 

Еволюція біогеохімічного циклу кисню

 

Еволюція фотосинтезу була однією з найбільш значних подій в ранній історії Землі.

 

Анаеробні фотосинтетичні  бактерії не можуть продуціювати  кисень в аеробній атмосфері.  Вони могли  продуціювати кисень за рахунок анаеробного окиснення відновлених сполук Сульфуру H 2 S і S, з відповідним формуванням S і SO 4 2-:

 

2H2S + CO2 (CH2O) + 2S0 + H2O ,

 

2S0 + 3CO2 + 5H2O 3(CH2O) + 2SO42- + 4H+ .

 

Органічна  матерія,  отримана  в  цьому  процесі,  була  представлена  СН2О.  Хоча  малі  кількості  кисню  могли  бути продуковані при абіотичному фотолізі води, приводячи до окиснення відновлених сульфурвмісних сполук, основну роль повинен був відігравати анаеробний фотосинтез у відповідності з вище наведеними реакціями.

 

Незважаючи на початок фотосинтезу 2,7 мільярдів років назад, вміст кисню в атмосфері і океані в археї і ранньому протерозої був набагато нижчим від сучасного атмосферного рівня. Поступово рівень кисню в атмосфері підвищився до вмісту, достатнього для дихання тварин. Доступність молекулярного кисню визначена протіканням багатьох біохімічних реакцій протягом розвитку  життя, особливо біосинтез ненасичених жирних кислот і стеролів в еукарютів (Chapman, Shapf,

1983). Молекулярний кисень був також попередником для формування озонового шару.

 

Будучи протилежним безкисневому фотосинтезу, оксигенний фотосинтез продукує кисень. Цей процес також може здійснюватись ціанобактеріями, але ці бактерії здатні утилізувати і воду замість гідроген сульфіду з виділенням кисню. Цей тип фотосинтезу характерний для всіх ціанобактерій, водоростей і вищих рослин:

 

Н2О + СО2 СН2О + О2.

 

Зворотна реакція (СН2О + О2 Н2О + СО2) описує процес дихання.

 

Відповідно,  для  розвитку  живих  організмів  на  суші  і в  поверхневих  водах,  потрібна   була    близька   до  сучасної концентрація кисню в атмосфері (15 - 20 %). Киснева атмосфера Землі була сформована протягом фанерозою  і потім вже суттєво не змінювалась.  При досягненні  цієї  концентрації  еукаріоти  широко  розповсюдились  на  земній  поверхні,  і їх біогеохімія стала відігравати важливу роль в циклі Карбону .

Розглянемо більш детально динаміку вмісту кисню протягом верхнього протерозою, тобто протягом останніх 2 мільярдів років, на основі даних М. Будико і співавторів (1985 р.). Аж до 2 млрд. років тому назад маса кисню в атмосфері була незначною, оскільки кисень, утворений в процесі фотосинтезу, цілком використовувався на окиснення органічної і неорганічної речовини. Надходження цієї речовини відбувалось з глибин Землі, за рахунок вулканічної діяльності або за рахунок вивітрювання геологічних порід. Тільки після зниження вулканічної діяльності, а також завершення формування джеспилітів, коли вся маса недоокиснених сполук могла бути окиснена наявним киснем, почався процес швидкого росту маси атмосферного кисню,  яка в пізньому протерозої  досягла  рівня, який  складає  15  –  20  %  маси  кисню  в  сучасній атмосфері.

Процес зростання маси кисню, який почався біля 2 млрд. років назад не був безперервним. Як видно з таблиці 2.16 , в фанерозої (570 мільйонів років назад) тенденція  до росту маси кисню в значній мірі маскувалась значними порівняно короткоперіодичними коливаннями цієї маси.

 

Таблиця 2.16

Оцінка вмісту кількості кисню в атмосфері протягом останніх 570 млн. років

Стратиграфічний інтервал

Тривалість інтервалу, млн. років

Маса кисню в атмосфері, 108 млн.т

Пліоцен 7 1,22

Міоцен 16 1,06

Олігоцен 12 0,94

Еоцен 21 0,93

Палеоцен 9 1,03

Мел 66 1,91

Юра 53 1,41

Тріас 50 0,46

Перм 36 0,70

Карбон 64 1,46

Девон 56 0,95

Силур 33 0,66

Ордовик 55 0,84

Кембрій 80 0,59

 

Основна  причина  еволюції  маси  кисню  в  атмосфері  пов'язана  з  продуктивністю  фотосинтезу,   яка  визначалась структурою рослинного покрову (його розповсюдженням і видовим складом),  кількістю вуглекислого газу в атмосфері і кліматичними умовами. Друга причина пов'язана зі змінами глобальних умов для поховання органічного Карбону, які для більшої частини фанерозою суттєво залежали від умов зволожування на континентах. За М. Будико та ін. (1985 р.), вплив цих факторів був особливо помітним в періоди найбільш крупних коливань маси кисню, які відбувались спочатку девону і до кінця мезозою. Підвищення кількості вуглекислого газу в атмосфері протягом карбону привело до значного підвищення глобальної  продуктивності  фотосинтезу,  особливо  за  рахунок  колонізації  рослинністю  континентів.  Розповсюдження вологого клімату на основній частині поверхні суші супроводжувалось як підвищенням продуктивності фотосинтезу, так і ростом маси похованого органічного Карбону у відкладеннях. Все це забезпечувало максимальну кількість кисню в карбоні. Аналогічним чином можна пояснити ріст маси кисню протягом мелового періоду.

В наш час Оксиген  є одним  з  найбільш  розповсюджених  елементів