Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

На самом деле, не существует никаких неопровержимых доказательств того, что кислород когда-либо вызывал массовую гибель живых организмов. По-видимому, концентрация кислорода в атмосфере не сразу достигла контролируемого биосферой равновесия, а изменялась скачками под действием небиологических факторов, таких как движение тектонических плит и оледенение. И каждый подъем уровня кислорода сопровождался активным видообразованием, в результате которого различные формы жизни занимали все новые и новые вакантные экологические ниши — как пустые прерии способствовали колонизации Американского Запада. Накопление кислорода в атмосфере немедленно вызвало появление одноклеточных эукариот (ядерных клеток), являющихся предшественниками всех многочисленных организмов, включая человека. Аналогичные «вливания» кислорода предшествовали активному распространению многоклеточных растений и животных в начале кембрийского периода 543 млн лет назад и эволюции гигантских насекомых и растений во время каменноугольного периода и раннего пермского периода 320 — 270 млн лет назад и даже, возможно, предшествовали появлению динозавров. Напротив, несколько случаев массового вымирания живых организмов было отмечено при снижении уровня кислорода, в частности в конце пермского периода около 250 млн лет назад. Неизбежный вывод о том, что кислород есть Добро, кого-то может лишить сна, но, безусловно, будет способствовать развитию идей о роли кислорода в старении и развитии старческих заболеваний.

Первой принесенной в жертву священной коровой был состав земной атмосферы, который, как выяснилось, вовсе не напоминал состав атмосферы Юпитера. Оказывается, жизнь возникла в атмосфере, содержавшей сравнительно мало метана, водорода и аммиака. Прямые доказательства пришли из области геологии. Земля и Луна образовались чуть больше 4,5 млрд лет назад. Анализ привезенных американскими астронавтами минералов из лунных кратеров показывает, что наша планетарная система на протяжении как минимум 500 млн лет подвергалась бомбардировке метеоритами, закончившейся примерно 3,8 — 4 млрд лет назад. С достаточно высокой точностью можно утверждать, что самые старые осадочные породы на Земле, расположенные вдоль западного побережья современной Гренландии, имеют возраст 3,85 млрд лет. Это значит, что они возникли примерно через 700 млн лет после образования Земли, вскоре после прекращения бомбардировки метеоритами.

Несмотря на свой заслуженный возраст, эти древние горы доказывают, что атмосфера и гидрологический цикл той эпохи удивительным образом напоминали современные. Сам факт отложения этих пород указывает на наличие на планете большого количества воды. Эти отложения, вероятно, образовались в результате эрозии поверхности планеты под действием дождевой воды. Это означает, что температура атмосферы Земли способствовала таким процессам, как испарение, образование облаков и выпадение осадков. Минеральный состав пород позволяет делать выводы относительно состава атмосферы того времени. Там содержатся карбонаты, которые могли образоваться в результате реакции между диоксидом углерода (углекислым газом) и силикатами, как это происходит и сейчас. Так что мы вполне можем заключить, что в атмосфере присутствовал диоксид углерода. Кроме того, в составе этих пород есть разные оксиды железа, которые по законам химии не могли возникнуть ни в атмосфере, напоминающей атмосферу Юпитера, ни в атмосфере с высоким содержанием кислорода. Из этого следует, что в тот период в атмосфере Земли содержались лишь следовые количества кислорода. Наконец, можно заключить, что основным компонентом атмосферы тогда, как и теперь, был азот, поскольку этот почти инертный газ практически не образуется живыми организмами. Нам не известны химические или биологические процессы, которые могли бы создать атмосферу с таким высоким содержанием азота, так что азот должен был находиться в атмосфере Земли с самого начала. Итак, 4 млрд лет назад атмосфера Земли, скорее всего, состояла в основном из азота с примесью диоксида углерода и водяных паров, а также следовых количеств других газов, включая кислород. Но в ней практически не было метана, аммиака и водорода.

Эти выводы, основанные на анализе самых древних гор, подтверждаются и другими данными, позволяющими пролить свет на происхождение ранней атмосферы Земли. Речь идет о содержании в современной атмосфере редких инертных газов, в частности неона. Неон — седьмой по распространенности элемент во Вселенной. Он в изобилии наличествовал в облаках пыли и газа, из которых сформировалась Земля и другие планеты Солнечной системы. Это инертный газ, и, следовательно, он еще менее способен на реакции, чем азот. Если бы исходная атмосфера Земли пережила бомбардировку метеоритами, в ней бы содержалось примерно столько же неона, сколько азота. В действительности соотношение неона к азоту в нашей атмосфере составляет 1:60 000. Если когда-то у Земли и была атмосфера, напоминающая атмосферу Юпитера, она должна была исчезнуть в самом начале жесточайших метеоритных бомбардировок.

Так как же образовалась современная атмосфера? По-видимому, ее создали вулканы. Вулканы выбрасывают пары серы (которые осаждаются дождевой водой), азот и углекислый газ (примерно в «правильном» соотношении) и небольшое количество неона, но практически не выделяют метана, аммиака или кислорода.

Откуда же взялся кислород? Можно назвать лишь два возможных источника кислорода в атмосфере. Самым важным, без сомнения, является фотосинтез , в ходе которого растения, водоросли и цианобактерии с помощью зеленого пигмента хлорофилла захватывают энергию солнечного света и используют ее для расщепления молекулы воды. Побочным продуктом этой реакции является кислород, который выделяется в атмосферу, тогда как энергетически богатые продукты расщепления воды используются для связывания диоксида углерода из воздуха и его превращения в сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, составляющие органическую материю. Таким образом, в процессе фотосинтеза из воды и углекислого газа под действием солнечного света образуется органическое вещество и — в качестве побочного продукта — кислород.

Если бы фотосинтез был единственным процессом жизнедеятельности на планете, кислород в атмосфере мог бы накапливаться вплоть до полного исчерпания углекислого газа. А затем все процессы остановились бы. Понятно, что это не так: некоторые процессы происходят с потреблением кислорода, включая реакции с минералами в составе горных пород, с океанами и вулканическим газами. Однако в современном мире практически весь кислород, выделяемый растениями, расходуется животными, грибами и бактериями, которые используют кислород для дыхания — «сжигания» (окисления) органических веществ из пищи. Они извлекают из пищи необходимую для жизни энергию и выделяют в воздух углекислый газ [9] Растения, водоросли и цианобактерии тоже дышат, используя некоторое количество кислорода, выпущенного в воздух в процессе фотосинтеза, для окисления углеводородных продуктов фотосинтеза и извлечения запасенной в них энергии. . Поскольку животные, бактерии и грибы потребляют органические вещества, содержащиеся в других организмах, их можно отнести к группе потребителей . Все они получают энергию за счет дыхания — контролируемого сжигания сахаров, жиров и белков, синтезируемых производителями в процессе фотосинтеза. Суммарная реакция процесса дыхания, в которой потребляются кислород и сахара, а выделяются вода и углекислый газ, практически полностью противоположна реакции фотосинтеза и потребляет примерно столько же кислорода, сколько образуется при фотосинтезе. В обратном процессе в результате сжигания потребляемой нами пищи под действием кислорода регенерируется углекислый газ, необходимый для продолжения фотосинтеза; так что мы не должны чувствовать себя паразитами — растения нуждается в нас не меньше, чем мы нуждаемся в них.