Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Если бы «потребители» поглощали все органическое вещество, синтезируемое первичными «производителями», весь кислород из воздуха расходовался бы для дыхания. Возможно, вы удивитесь, но практически так оно и есть. Выделяемый в процессе фотосинтеза кислород почти полностью (на 99,99%) потребляется животными, грибами и бактериями, питающимися друг другом или останками «производителей». Однако кажущаяся ничтожной разница в 0,01% является основой всей окружающей нас жизни. Это тo органическое вещество, которое не сжигается, а остается в земле под минеральными отложениями. Так за миллиарды лет накопилась вся содержащаяся в земле органическая материя.

Если органические остатки попадают в землю, а не съедаются «потребителями», расходуется меньше кислорода [10] Для тех, кто хочет разобраться в химии, представляю общее уравнение процесса фотосинтеза: CO 2 + H 2 O = CH 2 O (органический углерод в форме углевода) + O 2 ; процесс дыхания описывается обратной реакцией. Это означает, что сохранение (захоронение, а не сжигание в процессе дыхания) каждой молекулы CH 2 O соответствует сохранению в воздухе одной молекулы O 2 . . Избыток кислорода накапливается в атмосфере. Практически весь бесценный для нас атмосферный кислород накопился за 3 млрд лет из-за минимального различия между объемом кислорода, выделяемым первичными «производителями» и используемым «потребителями». Гигантское количество мертвой органической материи, захороненной в минеральных отложениях, многократно превышает общее углеродное содержание живого мира. По оценкам геохимика Роберта Бернера из Йельского университета, в земной коре содержится в 26 тыс. раз больше углерода, чем в живой биосфере. Иначе говоря, на живые организмы приходится лишь 0,004% органического углерода, в настоящее время находящегося на (или в) Земле. Если бы вся эта органическая материя прореагировала с кислородом, кислорода не осталось бы совсем. Если же с кислородом реагирует лишь 0,004% всего органического углерода (то есть только живая биосфера), сохраняется 99,996% атмосферного кислорода. Это означает, что даже полное уничтожение мировых запасов леса вряд ли изменит наш кислородный запас, хотя в экологическом отношении подобный идиотизм стал бы величайшей трагедией.

Захороненное органическое вещество превращается в уголь, нефть и природный газ, а также другие соединения в составе осадочных пород и минералов, такие как пирит («золото дураков»). В обычных песчаных горах находится всего несколько весовых процентов органического углерода. Но, поскольку таких гор очень много, они на самом деле содержат основное количество запасенного в земной коре органического вещества. Лишь небольшая часть захороненного углерода существует в форме ископаемого топлива. Так что, даже если нам удастся полностью сжечь уголь, нефть и газ, запасенные в земной коре, мы израсходуем лишь несколько процентов атмосферного кислорода.

Однако первым источником кислорода в атмосфере был не биологический процесс фотосинтеза, а его химический эквивалент. Лучшей иллюстрацией значения скорости реакции являются биологические процессы. Солнечная энергия, особенно в виде ультрафиолетовых лучей, может расщеплять воду на водород и кислород без участия биологических катализаторов. Газообразный водород очень легкий и преодолевает земное притяжение. Кислород гораздо тяжелее и поэтому удерживается в атмосфере. Бóльшая часть кислорода, образовавшегося на первозданной Земле, реагировала с железом в горных породах и океанской воде, постепенно включаясь в состав коры. В результате стала исчезать вода, поскольку после ее расщепления водород утекал в космическое пространство, а кислород не накапливался в воздухе, а поглощался земной корой.

Считается, что расщепление воды под действием ультрафиолетового излучения стало причиной исчезновения океанов на Марсе и Венере [11] Космический аппарат Маrs Global Surveyor , вышедший на орбиту Красной планеты в апреле 1999 г., прислал на Землю подробные изображения осадочных гор. Специалисты из НАСА считают, что они могли образоваться на месте озер и мелких морей. Существующие на Марсе эрозионные каналы свидетельствуют о том, что в далеком прошлом на планете была проточная вода, но новые данные представляют собой первые неопровержимые доказательства того, что когда-то там были океаны. Пока мы не знаем, просочилась ли эта вода в глубь планеты или испарилась в космическое пространство (или и то и другое). . Сегодня обе планеты безводны и безжизненны; их кора окислена, а атмосфера наполнена углекислым газом. Обе планеты медленно окисляются, и в их атмосфере всегда содержится лишь следовое количество свободного кислорода. Почему это случилось на Марсе и на Венере, но не случилось на Земле? Возможно, критическим параметром была скорость образования кислорода. Если кислород образуется медленно — не быстрее, чем горы, минералы и газы подвергаются выветриванию и воздействию продуктов вулканической активности, — он полностью связывается корой. Кора постепенно окисляется, но в воздухе кислород не накапливается. И только если кислород образуется быстрее, чем взаимодействует с новыми горами и минералами, он может накапливаться в атмосфере.

Сама жизнь спасла Землю от участи Марса и Венеры. Вливание кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза, позволило превзойти потребность реагирующих с кислородом веществ в океанах и земной коре, так что оставшийся кислород стал накапливаться в атмосфере. А в присутствии свободного кислорода прекратилась потеря воды. Дело в том, что кислород взаимодействует с большей частью водорода, выделяющегося при расщеплении воды, в результате чего вновь образуется вода, пополняющая океаны. Крупнейший ученый и автор гипотезы Геи Джеймс Лавлок считает, что сегодня скорость выделения водорода в космос составляет около 300 тыс. тонн в год. Это эквивалентно потере 3 млн тонн воды. Возможно, цифра жутковатая, но из расчетов Лавлока следует, что при такой скорости испарения за 4,5 млрд лет Земля потеряет всего 1% океанской воды. Этой защитой мы обязаны фотосинтезу. Даже если на Марсе или Венере когда-то существовала жизнь, можно однозначно утверждать, что эта жизнь не изобрела фотосинтез. Без преувеличения можно сказать, что своим существованием на Земле мы полностью обязаны раннему изобретению фотосинтеза и быстрому вливанию кислорода в атмосферу за счет действия биологических катализаторов.

И этой книге я не буду рассказывать о том, как на Земле зародилась жизнь. Те, кому это интересно, могут прочесть труды Пола Дэвиса, Грэхэма Кернс-Смита и Фримана Дайсона, перечисленные в разделе «Дополнительная литература». Мы будем исходить из предположения, что жизнь зародилась в океанах Земли, окруженной атмосферой азота и углекислого газа, но лишь со следами кислорода. Вероятно, фотосинтез был изобретен рано. О том, как и почему это произошло, мы поговорим в главе 7. Теперь давайте посмотрим, как жизнь отреагировала на рост концентрации кислорода в воздухе. Стало ли загрязнение атмосферы кислородом причиной массового исчезновения живых организмов, как считали Линн Маргулис и другие ученые, или стимулировало внедрение эволюционных инноваций? Остались ли какие-то следы тех древнейших событий, которые позволили бы нам поддержать ту или иную версию?