Геологическая история кислорода - Geological history of oxygen

О2 наращивание в Атмосфера Земли. Красные и зеленые линии представляют диапазон оценок, в то время как время измеряется миллиардами лет назад (Ga).
Стадия 1 (3,85–2,45 млрд лет): O практически нет2 в атмосфере.
Этап 2 (2,45–1,85 млрд лет): O2 производится, но поглощается океанами и породами морского дна.
Этап 3 (1,85–0,85 млрд лет): O2 начинает выделять газ из океанов, но поглощается поверхностью суши и образованием озонового слоя.
Стадии 4 и 5 (0,85 млрд лет – настоящее время): O2 раковины наполняются, газ накапливается.[1]

Перед фотосинтез развился Атмосфера Земли не было бесплатного кислород (O2).[2] Фотосинтетический прокариотический организмов, продуцирующих O2 как отходы жизни задолго до первого накопления свободного кислорода в атмосфере,[3] возможно, еще 3,5 миллиарда лет назад. Произведенный ими кислород был бы быстро удален из океанов в результате выветривания восстанавливающих минералов,[нужна цитата ] в первую очередь утюг.[4] Эта ржавчина привела к отложению оксида железа на дне океана, образуя полосчатые железные образования. Таким образом, океаны заржавели и стали красными. Кислород начал присутствовать в атмосфере в небольших количествах примерно за 50 миллионов лет до начала Большое событие оксигенации.[5] Это массовое насыщение атмосферы кислородом привело к быстрому накоплению свободного кислорода. При текущих ставках основное производство, сегодняшняя концентрация кислорода может быть произведена фотосинтетический организмов за 2000 лет.[6] в отсутствие растений, скорость производства кислорода фотосинтезом была ниже в Докембрийский, а концентрации O2 достигнутые были менее 10% от сегодняшних и, вероятно, сильно колебались; кислород, возможно, даже снова исчез из атмосферы около 1,9 миллиард лет назад.[7] Эти колебания концентрации кислорода мало повлияли на жизнь напрямую. массовые вымирания не наблюдается до появления сложная жизнь примерно в начале Кембрийский период, 541 миллион лет назад.[8] Наличие О
2 предоставил жизни новые возможности. Аэробный метаболизм более эффективен, чем анаэробные пути, а присутствие кислорода создает новые возможности для исследования жизни.[9][10] С начала Кембрийский В этот период концентрации кислорода в атмосфере колебались от 15% до 35% от атмосферного объема.[11] Максимум 35% был достигнут к концу Каменноугольный период (около 300 миллионов лет назад), пик, который, возможно, способствовал появлению большого размера насекомых и амфибий в то время.[10] В то время как человеческая деятельность, такая как сжигание ископаемое топливо, влияют на относительные концентрации углекислого газа, их влияние на гораздо большую концентрацию кислорода менее существенно.[12]

Влияние на жизнь

Великое событие оксигенации первым серьезным образом повлияло на ход эволюции. Из-за быстрого накопления кислорода в атмосфере многие организмы, которые не зависели от кислорода, погибли.[10]Концентрация кислорода в атмосфере часто упоминается как возможный вклад в крупномасштабные эволюционные явления, такие как происхождение многоклеточный Ediacara биота, то Кембрийский взрыв, тенденции изменения размеров тела животных и другие события исчезновения и диверсификации.[10]

Большой размер насекомых и амфибий в Каменноугольный период когда концентрация кислорода в атмосфере достигала 35%, это объясняется лимитирующей ролью диффузии в метаболизме этих организмов.[13] Но эссе Холдейна[14] указывает, что это применимо только к насекомым. Однако биологическая основа этой корреляции не является твердой, и многие доказательства показывают, что концентрация кислорода не ограничивает размер у современных насекомых.[10] В других геологических записях нет значительной корреляции между атмосферным кислородом и максимальным размером тела.[10] Экологические ограничения могут лучше объяснить крошечный размер посткарбоновых стрекоз - например, появление летающих конкурентов, таких как птерозавры, птицы и летучие мыши.[10]

Повышение концентрации кислорода было названо одним из нескольких факторов эволюционной диверсификации, хотя физиологические аргументы, стоящие за такими аргументами, сомнительны, а согласованная закономерность между концентрацией кислорода и скоростью эволюции не очевидна.[10] Наиболее известная связь между кислородом и эволюцией происходит в конце последнего периода Снежок оледенения, где сложная многоклеточная жизнь впервые обнаружена в летописи окаменелостей. При низких концентрациях кислорода и до образования азотфиксация, биологически доступные соединения азота были в ограниченном количестве [15] а периодические «азотные кризисы» могут сделать океан непригодным для жизни.[10] Значительные концентрации кислорода были лишь одной из предпосылок эволюции сложной жизни.[10] Модели, основанные на униформистских принципах (т.е. экстраполяция современной динамики океана в глубокое время), предполагают, что такая концентрация была достигнута только непосредственно перед метазоа впервые появился в летописи окаменелостей.[10] Кроме того, бескислородные или иным образом химически «противные» океанические условия, которые напоминают те, которые, как предполагается, препятствуют повторному появлению макроскопической жизни, периодически возникают в раннем кембрии, а также в конце мелового периода - без видимого воздействия на формы жизни в это время.[10] Это может свидетельствовать о том, что геохимические признаки, обнаруженные в океанических отложениях, по-другому отражают атмосферу до кембрия - возможно, в результате принципиально иного способа круговорота питательных веществ в отсутствие планктивора.[8][10]

Богатая кислородом атмосфера может высвобождать фосфор и железо из породы в результате выветривания, и эти элементы затем становятся доступными для существования новых видов, метаболизм которых требует этих элементов в виде оксидов.[2]

Рекомендации

  1. ^ Голландия, Х. Д. (2006). «Оксигенация атмосферы и океанов». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 361 (1470): 903–915. Дои:10.1098 / rstb.2006.1838. ЧВК  1578726. PMID  16754606.
  2. ^ а б Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). "Кислород Земли: загадка, которую легко принять на веру". Нью-Йорк Таймс. Получено 3 октября 2013.
  3. ^ Дуткевич, А .; Volk, H .; George, S.C .; Ridley, J .; Бьюик, Р. (2006). «Биомаркеры гуронских нефтеносных флюидных включений: незагрязненная история жизни до Великого окислительного события». Геология. 34 (6): 437. Bibcode:2006Гео .... 34..437D. Дои:10.1130 / G22360.1.
  4. ^ Голландия, Х. Д. (2006). «Оксигенация атмосферы и океанов». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 361 (1470): 903–915. Дои:10.1098 / rstb.2006.1838. ЧВК  1578726. PMID  16754606.
  5. ^ Анбар, А .; Duan, Y .; Lyons, T .; Арнольд, G .; Kendall, B .; Creaser, R .; Кауфман, А .; Gordon, G .; Scott, C .; Garvin, J .; Бьюик, Р. (2007). «Пахнет кислородом перед великим окислительным событием?». Наука. 317 (5846): 1903–1906. Bibcode:2007Научный ... 317.1903А. Дои:10.1126 / наука.1140325. PMID  17901330. S2CID  25260892.
  6. ^ Доул, М. (1965). «Естественная история кислорода». Журнал общей физиологии. 49 (1): Suppl: Supp5–27. Дои:10.1085 / jgp.49.1.5. ЧВК  2195461. PMID  5859927.
  7. ^ Frei, R .; Gaucher, C .; Poulton, S.W .; Кэнфилд, Д. Э. (2009). «Колебания оксигенации докембрийской атмосферы, зарегистрированные изотопами хрома». Природа. 461 (7261): 250–253. Bibcode:2009Натура 461..250F. Дои:10.1038 / природа08266. PMID  19741707. S2CID  4373201. Сложить резюме.
  8. ^ а б Баттерфилд, Н. Дж. (2007). «Макроэволюция и макроэкология в глубокие времена». Палеонтология. 50 (1): 41–55. Дои:10.1111 / j.1475-4983.2006.00613.x. S2CID  59436643.
  9. ^ Фриман, Скотт (2005). Биологические науки, 2-е. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Пирсон - Прентис-Холл. стр.214, 586. ISBN  978-0-13-140941-5.
  10. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Баттерфилд, Н. Дж. (2009). «Кислород, животные и океаническая вентиляция: альтернативный взгляд». Геобиология. 7 (1): 1–7. Дои:10.1111 / j.1472-4669.2009.00188.x. PMID  19200141. S2CID  31074331.
  11. ^ Бернер, Р. А. (сентябрь 1999 г.). «Атмосферный кислород в фанерозойское время». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 96 (20): 10955–10957. Bibcode:1999PNAS ... 9610955B. Дои:10.1073 / pnas.96.20.10955. ISSN  0027-8424. ЧВК  34224. PMID  10500106.
  12. ^ Эмсли, Джон (2001). «Кислород». Строительные блоки природы: руководство по элементам от А до Я. Оксфорд, Англия, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. стр.297–304. ISBN  978-0-19-850340-8.
  13. ^ Полет, Делиль (2011). «САМЫЕ БОЛЬШИЕ ОШИБКИ: ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ МАКСИМАЛЬНЫЙ РАЗМЕР НАСЕКОМЫХ». 2 (1): 43–46. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ Холдейн, J.B.S., О правильном размере, пункт 7
  15. ^ Наварро-Гонсалес, Рафаэль; Маккей, Кристофер П .; Нна Мвондо, Дельфина (июль 2001 г.). «Возможный азотный кризис для жизни архей из-за снижения фиксации азота молнией» (PDF). Природа. 412 (5 июля 2001 г.): 61–64. Bibcode:2001Натура 412 ... 61Н. Дои:10.1038/35083537. HDL:10261/8224. PMID  11452304. S2CID  4405370.

внешняя ссылка