Всего лишь 2,3 миллиарда лет назад воздух, окружавший Землю, совершенно не содержал кислорода. Для тогдашних примитивных форм жизни это обстоятельство было сущим подарком.
Одноклеточные бактерии, обитавшие в первобытном океане, не нуждались в кислороде для поддержания своей жизнедеятельности. Затем что – то произошло.
Как на Земле появился кислород?
Ученые считают, что по мере развития некоторые бактерии «научились» извлекать из воды водород. Известно, что вода - это соединение водорода и кислорода, поэтому побочным продуктом реакции извлечения водорода было образование кислорода, выделение его в воду, а за тем и в атмосферу.
Некоторые организмы с течением времени приспособились жить в атмосфере с новым газом. Организм нашел способ обуздывать разрушительную энергию кислорода и использовать ее для управляемого распада питательных веществ, в процессе которого выделяется энергия, используемая организмом для поддержания своей жизнедеятельности.
Материалы по теме:
Что такое озоновый слой и почему его разрушение вредно?
Такой способ применения кислорода называется дыханием, которым мы пользуемся ежедневно, и посей день. Дыхание - это способ отвести от себя кислородную угрозу: оно сделало возможным развитие на Земле более крупных организмов - многоклеточных, имеющих уже сложное строение. В конце концов, именно благодаря появлению дыхания эволюция породила человека.
Откуда появился кислород на Земле?
За миллионы прошедших лет количество кислорода на земле увеличилось с 0,2 процента до нынешнего 21 процента атмосферы. Но в увеличении кислорода в воздухе атмосферы виноваты не только бактерии океанов. Ученые считают, что другим источником кислорода были сталкивающиеся континенты. По их мнению, при столкновении, а затем при последующем расхождении континентов в атмосферу выделялись большие количества кислорода.
Ни для кого не секрет насколько полезен фитопланктон для экологии. Немаловажную роль играет он и в атмосфере. Ведь именно ему мы обязаны выделением кислорода в воздух. Помимо этого, он состоит в основании пищевой пирамиды, и, по сути, кормит все море.
Современная наука не отстает в изучении космоса, а вот наша планета до сих пор до конца не изучена.
Ученые рассчитали, что через 80 лет на Земле полностью исчезнет кислород. Сотрудники университета в Мичигане, высчитали, что в 2100 году окончательно прекратит свое существование фитопланктон - основной источник кислорода. Причина тому - глобальное потепление.
Как сообщает журнал «Биржевой Лидер», больше всего ученых интересует при какой температуре организмы способны выжить.
В результате многочисленных анализов 130 видов фитопланктона ученые выяснили, что в водах приполярного края и морях умеренных поясов фитопланктон размножается лучше. Так как температура там выше, чем среднегодичная, которая характерна для его обитания.
Тропический планктон, наоборот, хорошо размножается при среднегодичной или даже более низкой температуре. Получается, что именно тропический фитопланктон окажется более чувствительным к глобальному потеплению.
До сих пор ученые всего мира не осведомлены до конца, как фитопланктон распределяется по мировым водам, и как будет себя вести во время глобального потепления.
В результате, примерно через 80 лет по подсчетам специалистов, тропический фитопланктон, который составляет значительную часть Мирового океана, будет вытеснен к полюсам или вовсе вымрет. При обоих исходах гибель фитопланктона станет большим ударом для морских экосистем. Однако, все же есть надежда, что фитопланктону как-то удастся приспособиться к новым условиям.
Ученые затрудняются сказать, почему у некоторых видов планктона не оказалось способов приспособления к новому температурному режиму, тем более, что северные виды фитопланктона должны не плохо адаптироваться к суровым условиям. Помимо этого, исследователи не исключают того, что у морских водорослей возможно была такая возможность, но по истечении времени она была израсходована. Это позволяет все же надеяться, что планктон все же будет способен приспособиться к меняющимся климатическим условиям. Задача на ближайшее будущее как раз состоит в том, чтобы выяснить с какой скоростью фитопланктон будет приспосабливаться к изменениям в природе.
Атмосфера Земли не имеет четких ограничений. Внешние слои простираются до нескольких тысяч километров. но 90% ее массы сосредоточено в 16-километровом приземном слое.
Несмотря на отсутствие точных геометрических границ между атмосферой и пространством, это может быть определено физическим термином граница. Физической границей атмосферы является высота, на которой воздух еще достаточно плотный. чтобы зарегистрироваться порядке физические явления, имеющие отношение к земле, а нее пространстве.
Физические свойства атмосферы неоднородны - не только вертикальные; но и горизонтальные. С увеличением высоты изменяется состав и количество других его свойств и параметров. Есть несколько подразделений в атмосфере, например температура разделения.
В качестве основы принято брать среднее изменение температуры воздуха с высотой в восхождении (г = - дТ 1 дг). По их разным знаками (изменение температуры по высоте. состав атмосферы и наличие заряженных частиц) в атмосфере разделена на пять основных слоев называются полями. Между каждый переход имеет тонкий слой, называемый перерывов. Их имена в зависимости от их расположения; как это тропосферы выше тропопаузы, и т.д.
Воздух, который образует земная атмосфера представляет собой смесь различных газов. Газы, которые не вступают в химическую реакцию друг с другом, называется механической смессью. В состав воздуха у поверхности земли установлена с большей точностью. Помимо основных газов - азота, кислорода и аргона смеси, участвующих е механических и других газообразных примесей с гораздо меньшими концентрациями. В состав воздуха не то же самое на разных высотах.
До высоты около 800 км в атмосфере преобладает азот и кислород. Более 400 км начали увеличивать содержание легких газов - гелия в начале: а затем водород. 800 км выше основного содержания в атмосфере в основном водорода.
Чистый план можно предположить, что примерно до 200 км воздуха; окружающего Землю является тонким и равномерным покрытием их физических характеристик. С ростом выше поверхностная плотность уменьшается неравномерность плотности приводит к неравномерному распределению массы атмосферы. Около половины таблицы в слоях до 5 км над поверхностью Земли; на высоте 30 км составляет около 99 процентов содержится. Выше 35 км атмосферная масса составляет менее 1%л. Тем не менее; есть ряд процессов и явлений. которые возникают в результате прямого воздействия солнечной радиации. На самом деле это 1°/л промежуточное звено, отзывчивые солнечной радиации и передавать их в нижние слои атмосферы.
Ученые находят все больше доказательств того, что в прошлом на Марсе были условия для жизни. Британские планетологи определили, что миллиарды лет назад на Красной планете было не меньше кислорода, чем на Земле. Исследование ученых Оксфордского университета было опубликовано в журнале Nature.
Ученые находят все больше доказательств того, что в прошлом на Марсе были условия для жизни
mars.nasa.gov
Планетологи изучили древние породы из марсианского кратера Гусева, собранные марсоходом Spirit. Определив в них долю оксидов и серы, они пришли к выводу, что их количество превышает то, что содержится метеоритах, одинакового с ними происхождения. Это удивило исследователей, так как метеориты сформировались намного позднее пород на Красной Планете. Если анализируемым минералам было около 3,7 миллиарда лет назад, то метеоритам - 180-1400 миллионов лет. Это натолкнуло планетологов на мысль о том, что породы впитали в себя кислород во время контакта с Марсом миллиарды лет назад.
Кроме того, ученые установили, что доля кислорода в марсианских породах была сопоставима с той, что содержалась в базальтах юной Земли. "Результаты исследований свидетельствуют о том, что воздушная оболочка Марса обогатилась кислородом 4 миллиарда лет назад, задолго до того, как аналогичные процессы произошли на Земле. Такое количество кислорода появилось на Земле 2,5 миллиарда лет назад", - цитирует The Daily Mail ученого Бернара Вуда. "Кислород дал этой планете специфический цвет. Мы склонны думать, что Марс был теплой и влажной планетой задолго до того, как Земля обрела эти свойства", - подчеркнул Вуд.
NASA составило панораму, на которой видна "марсианская птица в полете"
NASA составило панораму, на которой видна "марсианская птица в полете"
mars.nasa.gov
Тем временем американское космическое агентство NASA подготовило высококачественную панораму с возможностью детально изучить породы Красной планеты. Панорама, опубликованная на сайте ведомства, была составлена из 900 изображений общей "массой" 1,3 миллиарда пикселей.
На фото можно разглядеть "блестящие объекты"
mars.nasa.gov
Снимки были сделаны марсоходом Curiosity с 5 октября по 16 ноября 2012 года. Ровер вел съемку при помощи трех камер в районе Rocknest на дне кратера Гейла, где он собирает образцы пыли и камней, передает CBS.
Прямоугольник, вырезанный в камне
mars.nasa.gov
При приближении на фото можно разглядеть "блестящие объекты", как они подписаны на панораме, "прямоугольник, вырезанный в камне", и даже "марсианскую птицу в полете". "Определенно, это странно. Но выглядит как птица в полете", - сообщается в подписи.
Марсоход Curiosity совершил посадку на поверхность Марса 6 августа 2012 года. На борту аппарата установлены 10 научных инструментов, предназначенных для детальных геологических и геохимических исследований, изучения атмосферы и климата планеты, поиска воды и ее следов, органических веществ. Инструменты призваны определить, был ли когда-то Марс пригоден для жизни и есть ли на нем места, пригодные для жизни сейчас.
В отличие от горячих и холодных планет нашей Солнечной системы, на планете Земля существуют условия, которые дают возможность жизни в определенной форме. Одним из главных условий является состав атмосферы, который дает всему живому возможность свободно дышать и защищает от смертельного излучения, царящего в космосе.
Из чего состоит атмосфера
Атмосфера Земли состоит из множества газов. В основном который занимает 77 %. Газ, без которого немыслима жизнь на Земле, занимает гораздо меньший объем, содержание кислорода в воздухе равно 21 % от всего объема атмосферы. Последние 2 % - смесь различных газов, включая аргон, гелий, неон, криптон и другие.
Атмосфера Земли поднимается на высоту 8 тыс. км. Воздух, пригодный для дыхания, есть только в нижнем слое атмосферы, в тропосфере, достигающей на полюсах - 8 км, ввысь, а над экватором - 16 км. С увеличением высоты воздух становится более разреженным и тем больше ощутима нехватка кислорода. Чтобы рассмотреть, какое содержание кислорода в воздухе бывает на разной высоте, приведем пример. На пике Эвереста (высота 8848 м) воздух вмещает этого газа в 3 раза меньше, чем над уровнем моря. Поэтому покорители высокогорных вершин - альпинисты - могут подняться на его вершину только в кислородных масках.
Кислород - главное условие выживания на планете
В начале существования Земли воздух, который ее окружал, не имел этого газа в своем составе. Это вполне подходило для жизни простейших - одноклеточных молекул, которые плавали в океане. Им кислород не был нужен. Процесс начался примерно 2 млн лет назад, когда первые живые организмы в результате реакции фотосинтеза начали выделять малые дозы этого газа, полученного в результате химических реакций, сначала в океан, затем в атмосферу. Жизнь развилась на планете и приняла разнообразные формы, большинство из которых не дожили до наших времен. Некоторые организмы со временем приспособились к жизни с новым газом.
Они научились использовать его силу безопасно внутри клетки, где она выступала в роли электростанции, для того чтобы добывать энергию из еды. Такой способ использования кислорода называется дыханием, и мы это делаем ежесекундно. Именно дыхание дало возможность для появления более сложных организмов и людей. За миллионы лет содержание в воздухе кислорода взлетело до современного уровня - около 21 %. Накопление этого газа в атмосфере способствовало созданию озонового слоя на высоте 8-30 км от поверхности земли. Вместе с этим планета получила защиту от пагубного действия ультрафиолетовых лучей. Дальнейшая эволюция жизненных форм на воде и на суше стремительно возросла в результате увеличения фотосинтеза.
Анаэробная жизнь
Хотя некоторые организмы адаптировались к повышающемуся уровню выделяемого газа, многие из простейших форм жизни, которые существовали на Земле, исчезли. Другие организмы выжили, прячась от кислорода. Некоторые из них сегодня живут в корнях бобовых, используя азот из воздуха для построения аминокислот для растений. Смертельный организм ботулизма - еще один "беженец" от кислорода. Он спокойно выживает в вакуумных упаковках с консервированными продуктами.
Какой кислородный уровень оптимален для жизни
Преждевременно рожденные малыши, легкие которых еще не полностью раскрыты для дыхания, попадают в специальные инкубаторы. В них содержание кислорода в воздухе по объему выше, и вместо обычных 21 % здесь установлен его уровень 30-40 %. Малыши, имеющие серьезные проблемы дыхания, окружаются воздухом со стопроцентным уровнем кислорода, чтобы предотвратить повреждение детского мозга. Нахождение в таких обстоятельствах совершенствует кислородный режим тканей, пребывающих в состоянии гипоксии, приводит в норму их жизненные функции. Но его чрезмерное количество в воздухе так же опасно, как и недостаток. Чрезмерное количество кислорода в крови ребенка может привести к повреждению кровеносных сосудов в глазах и спровоцировать утрату зрения. Это показывает двойственность свойств газа. Мы должны дышать им, чтобы жить, но его избыток иногда может стать отравой для организма.
Процесс окисления
При соединении кислорода с водородом или углеродом, совершается реакция, именуемая окислением. Этот процесс заставляет органические молекулы, являющиеся основанием жизни, распадаться. В человеческом организме окисление проходит следующим образом. Эритроциты крови собирают кислород из легких и разносят его по всему телу. Происходит процесс разрушения молекул еды, которую мы употребляем. Этот процесс освобождает энергию, воду и оставляет диосксид углерода. Последний выводится клетками крови обратно в легкие, и мы выдыхаем его в воздух. Человек может задохнуться, если ему помешать дышать дольше, чем 5 минут.
Дыхание
Рассмотрим содержание кислорода во вдыхаемом попадающий извне в легкие при вдыхании, именуется вдыхаемым, а воздух, который выходит наружу через дыхательную систему при выдохе, - выдыхаемым.
Он представляет собой смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, с тем, который находится в дыхательных путях. Химический состав воздуха, который здоровый человек вдыхает и выдыхает в естественных условиях, практически не меняется и выражается такими цифрами.
Кислород - главная для жизни составляющая воздуха. Изменения количества этого газа в атмосфере невелики. Если у моря содержание в воздухе кислорода вмещает до 20,99 %, то даже в очень загрязненном воздухе индустриальных городов его уровень не падает ниже 20,5 %. Такие изменения не выявляют воздействия на человеческий организм. Физиологические нарушения проявляются тогда, когда процентное содержание кислорода в воздухе падает до 16-17 %. При этом наблюдается явная которая ведет к резкому падению жизнедеятельности, а при содержании в воздухе кислорода 7-8 % возможен летальный исход.
Атмосфера в разные эпохи
Состав атмосферы всегда оказывал воздействие на эволюцию. В разные геологические времена из-за природных катаклизмов наблюдались подъемы или падения уровня кислорода, и это влекло за собой изменение биосистемы. Примерно 300 миллионов лет назад содержание его в атмосфере поднялось до 35 %, при этом наблюдалось заселение планеты насекомыми гигантских размеров. Наибольшее вымирание живых существ в истории Земли случилось около 250 миллионов лет назад. Во время него более чем 90 % обитателей океана и 75 % жителей суши погибло. Одна из версий массового вымирания гласит, что виной тому оказалось низкое содержание в воздухе кислорода. Количество этого газа упало до 12 %, и это - в нижнем слое атмосферы до высоты 5300 метров. В нашу эпоху содержание кислорода в атмосферном воздухе доходит до 20,9 %, что на 0,7 % ниже, чем 800 тысяч лет назад. Эти цифры подтверждены учеными из Принстонского университета, которые исследовали пробы Гренландского и Атлантического льда, образовавшегося в то время. Замерзшая вода сберегла пузырьки воздуха, и этот факт помогает вычислить уровень кислорода в атмосфере.
Чему подчиняется уровень его в воздухе
Активное поглощение его из атмосферы может быть вызвано передвижением ледников. Отодвигаясь, они открывают гигантские площади органических пластов, потребляющих кислород. Еще одним поводом может быть остывание вод Мирового океана: его бактерии при пониженной температуре активнее поглощают кислород. Исследователи утверждают, что индустриальный скачок и вместе с ним сжигание огромного количества топлива особенного воздействия при этом не оказывают. Мировой океан охлаждается в течение 15 миллионов лет, и количество жизненно важного в атмосфере уменьшилось независимо от воздействия человека. Вероятно, на Земле совершаются некоторые природные процессы, ведущие к тому, что потребление кислорода становится выше его производства.
Воздействие человека на состав атмосферы
Поговорим о влиянии человека на состав воздуха. Тот уровень, который мы сегодня имеем, идеально подходит для живых существ, содержание кислорода в воздухе составляет 21 %. Баланс его и других газов определяется жизненным циклом в природе: животные выдыхают диоксид углерода, растения используют его и выделяют кислород.
Но не существует гарантии, что такой уровень будет постоянным всегда. Повышается количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу. Это происходит из-за использования топлива человечеством. А оно, как известно, образовалось из окаменелостей органического происхождения и в воздух попадает диоксид углерода. А тем временем самые большие растения нашей планеты, деревья, уничтожаются с нарастающей скоростью. За минуту исчезают километры леса. Это значит, что часть кислорода в воздухе постепенно падает и ученые уже сейчас бьют тревогу. Земная атмосфера - не безграничная кладовая и кислород в нее извне не поступает. Он все время вырабатывался вместе с развитием Земли. Нужно постоянно помнить, что этот газ производится растительностью в процессе фотосинтеза за счет потребления углекислого газа. И любое существенное уменьшение растительности в виде уничтожения лесов, неотвратимо снижает попадание кислорода в атмосферу, тем самым, нарушая его баланс.
Учёные из Китая, США и Франции нашли новый метод отслеживания содержания кислорода в пузырьках воздуха, содержащихся в полярных льдах. Благодаря этому им удалось установить, что содержание этого газа в атмосфере Земли за последние 800 000 лет снизилось на 0,7 процента. Причиной такого события могло стать падение температуры, идущее на Земле в последние миллионы лет. Соответствующая опубликована в журнале Science .
Исследователи решили узнать, как менялось количество кислорода в атмосфере планеты в последние 800 000 лет, сравнив, как изменялось соотношение кислорода и азота в образцах льда из Гренландии и Антарктиды. Такой метод был применён учёными впервые. К сожалению, для более ранних эпох новый способ неприменим, так как в ледниках фиксируются пузырьки воздуха в только в том случае, если идёт процесс роста ледникового массива. В последние 800 000 лет ледники Гренландии и Антарктиды в целом росли, а до этого многие миллионы лет их размер был стабилен или уменьшался.
Выяснилось, что за последние 0,8 миллиона лет в содержании кислорода на Земле произошли значительные изменения. Его концентрация снизилась на 0,7 процента. Хотя, на первый взгляд, это небольшое изменение, в действительности это немало. Чтобы такой процесс мог произойти, связывание кислорода должно было идти активнее его выработки растениями примерно на 1,7-2,0 процента. А это эквивалентно миллиардам тонн газа в год, причём, что именно отвечало за его связывание, пока остаётся неясным.
Авторы работы предложили гипотезу, по которой ускоренное связывание кислорода произошло из-за общего охлаждения климата планеты в последние несколько миллионов лет. Как отмечают исследователи, при падении температуры количество кислорода, способного раствориться в единице объёма морской воды, резко растет. На дне океанов кислород постепенно связывается морскими осадочными породами, содержащими углерод. В таком случае общее похолодание климата может привести к связыванию на морском дне значительных объемов кислорода. По расчётам, оно является долговременным и после этого утерянный из атмосферы газ более туда не возвращается.
Если бы процесс такого рода длился несколько десятков миллионов лет, содержание кислорода в воздухе могло упасть куда значительнее, на десятки процентов относительно его современного уровня. Это соответствует условиям на высотах в несколько километров. В случае если данная гипотеза верна, идущее сейчас глобальное потепление потенциально способно увеличить концентрацию кислорода в воздухе.
На данный момент в науке нет чёткого понимания того, как менялась концентрация кислорода в последние сотни миллионов лет. Известно лишь, что уже 800 миллионов лет назад его было достаточно для дыхания крупных животных типа человека, хотя и в два раза меньше, чем сегодня. В последние 500 миллионов лет климат на планете был, как правило, значительно теплее сегодняшнего. Поэтому ряд исследователей допускают, что основную часть этого периода кислорода в воздухе было больше, чем сейчас. В таком случае метаболизм наземных животных мог быть более активным, чем типичный для нашего времени.
