Откуда взялся кислород на Земле?

Сегодня около 21 процента атмосферы Земли состоит из кислорода. Но атмосфере нашей планеты потребовалось время, чтобы сформироваться до состояния, пригодного для дыхания. Самая первая смесь газов, образовавшая толстый слой вокруг нашей остывающей планеты около 4,6 миллиарда лет назад, мало чем отличалась от тех веществ, которые выбрасываются вулканами, - метана, сероводорода и углекислого газа.

Это были жестокие времена - не только кишки Земли кипели летучими веществами, но и постоянная бомбардировка холодных пород из внутренней части Солнечной системы обеспечивала постоянный приток свежего материала. Крупные столкновения время от времени раскаляли поверхность, вываривая всю собранную влагу и гарантируя, что атмосфера остается горячим беспорядком.

Однако постоянный поток минералов, падающих с неба, также обеспечивал большое количество азота в форме аммиака.

Когда в атмосфере Земли появился кислород?

Мы до сих пор многого не знаем. Например, сколько азота дал нашей планете тот ранний минеральный дождь, мы до конца не знаем. Но примерно 4,3 миллиарда лет назад адские условия на Земле наконец-то начали охлаждаться, и поток космических камней ослаб. 

В водоемах скопилось достаточно воды, чтобы произошли различные геохимические реакции - и, возможно, предшественники биохимии, - в результате чего на планете образовалась густая атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа и азота.

Возможно, время от времени то тут, то там возникали "вздохи" кислорода, выделяемого вулканической деятельностью. Но на реакцию ушло не так много времени, и в течение первого миллиарда лет или около того планета оставалась практически без кислорода.

Что представляло собой Великое событие окисления?
Самые ранние попытки биологии на Земле должны были взять энергию, удерживающую вместе один набор молекул, и использовать ее для создания органических материалов. На каком-то раннем этапе, возможно, в течение сотен миллионов лет после образования Земли, был найден механизм извлечения энергии солнечного света из определенных химических веществ.

Хотя технически это был фотосинтез, он не был тем, который оставляет избыток кислорода.

Эта "кислородная" разновидность фотосинтеза, похоже, могла возникнуть уже 3 миллиарда лет назад, если не раньше. Биологический механизм, называемый фотосистемой II, дал толчок примитивным микробам, позволив им рекомбинировать углекислый газ и воду для получения необходимых строительных блоков, а также щедрого заряда энергии.

Несмотря на сотни миллионов лет кислородной отрыжки в океанах планеты, изменения в атмосфере были минимальными. Одним из возможных объяснений такого удивительного отсутствия кислорода является постоянная морось метеоритов, проносящихся по небу, оставляя летучие газы, которые легко вступали в реакцию с мельчайшими следами молекулярного кислорода.

Какова бы ни была причина медленного накопления, около 2,4 миллиарда лет назад струйка кислородного газа наконец-то достигла значительного уровня, что привело к тому, что стало известно как Великое событие окисления.

Был ли кислород благом для жизни на Земле?

Какое влияние оказал внезапный избыток кислородного газа на биосферу Земли, сказать на удивление сложно.

Теоретически, кислород - довольно реактивный элемент. Даже сегодня у нас есть специализированные ферменты для борьбы с повреждениями, которые свободный кислород может нанести нашим более хрупким органическим молекулам, таким как ДНК. Поэтому легко представить, что без приспособлений для борьбы с кислородом ранние организмы вымерли бы в огромных количествах.

Вполне возможно, что катастрофическое вымирание действительно произошло. Исследования изотопов, запертых в минералах двухмиллиардной давности, показывают, что концентрация кислорода падала по мере того, как углерод задерживался в крошечных телах бесчисленных страдающих микробов. Однако интерпретация этой древней записи не совсем проста: другие исследования ставят под сомнение эти предположения, предполагая, что падение концентрации кислорода не связано с огромными человеческими жертвами.

Примерно 600 миллионов лет назад концентрация молекулярного кислорода в нашей атмосфере достигла примерно 21 процента.

Этот период истории совпал с появлением сложных живых существ. В какой степени кислород сыграл свою роль - в отличие от огромного количества питательных веществ, выделяемых глобальным покровом ледников, скребущих по поверхности, - сказать трудно. 

С одной стороны, кислород сегодня является незаменимым средством высвобождения большого количества энергии из углеводородов. Идеальное топливо для современного многоклеточного организма в движении! 

С другой стороны, точный порядок появления кислорода и первых сложных организмов является спорным, что делает эту взаимосвязь несколько запутанной.

Потеряет ли Земля когда-нибудь свой кислород?

Пока светит Солнце, цветут растения и идет фотосинтез, кажется, что на нашей планете всегда будет довольно приличное количество кислорода в атмосфере. Но этот баланс не является постоянным.

Примерно через миллиард лет солнечное излучение станет достаточно сильным, чтобы разорвать углекислый газ. Без этого газа фотосинтез остановится, а кислород упадет до уровня, которого не было с тех самых ранних времен, миллиарды лет назад.