Голямото кислородно събитие (GOE): произход, причини и последици
Голямото кислородно събитие (GOE): произход, причини и последици — как цианобактерии наситиха атмосферата с кислород, предизвикаха масови измирания и глобални ледникови епохи.
Голямото кислородно събитие (GOE) е моментът в геоложката история, когато в атмосферата на Земята започва да се натрупва значително количество свободен кислород. Причината е развитието и разпространението на цианобактерии, които извършват фотосинтеза и отделят кислород като страничен продукт. Важно е да се направи разграничение: процесът на кислородопроизводяща фотосинтеза вероятно е възникнал още преди около 3 и повече милиарда години, но самият преход към атмосфера, богата на свободен кислород — класическият GOE — е най-ясно изразен около преди 2,4–2,0 милиарда години, с последващи фази на допълнително окисление по-късно в археан-протерозойския преход и в необъодния Неопротерозой (приблизително преди 800–540 млн. години).
Причини
Основните причини за GOE са:
- Производство на кислород чрез фотосинтеза. Цианобактериите и други фотосинтезиращи организми произвеждат O2 при използване на слънчевата енергия.
- Поглъщащи сокове (редукти). Преди натрупването на кислород, свободният O2, който е бил произвеждан, се „изяждал“ химически от разтворени вещества и от органичната материя. На първо място това е било разтвореното желязо (Fe2+), което се окислява и образува железеноксид. Желязото е било много разтворимо в ранните океани и в резултат на това са се образували големи отлагания — ивичести железни скали — типични за архейската и протерозойската ера.
- Намаляване на реактивните редукти. Когато голяма част от разтвореното желязо и друга редуцирана материя са се окислили и вече не са могли да „уловят“ допълнителния кислород, излишният O2 е започнал да се натрупва в океана и атмосферата — това е същинската фаза на GOE.
Геоложки и геохимични доказателства
Основните доказателства за GOE включват:
- Отложения от ивичести железни скали, които показват масовото окисление на разтворено желязо в океаните.
- Промени в сулфурните изотопи — загубата на масово-независима (MIF) фракциониране на сярата около времето на GOE е силен маркер за повишаване на атмосферния O2, тъй като такива изотопни сигнали могат да се образуват само при силно редуцирани (безкислородни) условия.
- Изчезването на детритни (носени от вятъра или реките) минерали като пирит и уранинит от седиментите след време преди/по време на GOE — знак за по-интензивно окисление на повърхността.
- Появата на „червени“ седименти (red beds) и увеличение на сулфатите в океаните — индикатори за по-голямо количество кислород и окисляване на континентите.
Последици за климата и живота
GOE е бил критичен биогеохимичен преврат с редица последици:
- Масово въздействие върху анаеробните организми. Високите концентрации O2 са били токсични за много от тогавашните анаеробни обитатели. Цианобактериите, които образували строматолити, променяли локалните условия и конкурирали други протисти; много анаероби са изчезнали или са се приспособили към окислителната среда.
- Промяна в парниковия ефект. Атмосферният метан, силен парников газ, реагира с кислорода и се разгражда. Намаляването на метана вероятно е довело до значително охлаждане и е свързано с ранни снежни епизоди, включително хуронското заледяване, което се смята за един от най-продължителните и тежки заледявания в историята на Земята.
- Еволюционни възможности. Свободният кислород позволил развитието на аеробно дишане, което има много по-голям добив на енергия от анаеробните метаболизми. Това е създало условия за по-сложни клетки и метаболитни мрежи — фактор, който вероятно е подпомогнал появата и еволюцията на еукариотите и в дългосрочен план мултиклетъчните организми (точната хронология и причинно-следствените връзки са обект на активни изследвания).
- Защита от ултравиолетовата радиация. Кислородът довел до образуването на озоновия слой в стратосферата, който намалява интензитета на ултравиолетовото лъчение и улеснява по-късното колонизиране на сушата от живи организми.
Хронология и несигурности
Точните дати и скоростта на кислородното нарастване са все още предмет на дебат. Общата картина показва, че производство на O2 чрез фотосинтеза е започнало рано (възможно преди ~3.0 милиарда години), но атмосферното нарастване (GOE) настъпва по-ясно около 2,4–2,0 милиарда години. След това следват по-късни и частични „вълни“ на окисление, особено в Неопротерозоя, които довеждат до още по-високи нива на кислорода преди Кембрийското разнообразяване.
В обобщение: Голямото кислородно събитие е ключов поврат в историята на Земята — преминаване от редуцирана към частично окислена планетарна система. То е резултат от биологична активност (фотосинтез) и от изчерпване на химичните „уловители“ на O2, а последиците му — от промени в климата до фундаментални трансформации в биосферата — оформят условията за живота, какъвто го познаваме днес.
Натрупване на O2 в земната атмосфера. Червената и зелената линия представят диапазона на оценките, а времето е измерено в милиарди години назад (Ga). Етап 1 (3,85-2,45 Ga): Практически няма О2 в атмосферата. Етап 2 (2,45-1,85 Ga): О2 се произвежда, но се абсорбира в океаните и скалите на морското дъно. Етап 3 (1,85-0,85 Га): О2 започва да се отделя от океаните, но се абсорбира от земните повърхности. Етапи 4 и 5 (от 0,85 до наши дни): О2 потъва и газът се натрупва.
Времеви график
Доказано е, че свободният кислород е бил произведен за първи път от фотосинтезиращи организми (прокариотни, а по-късно еукариотни), които са отделяли кислород като отпадъчен продукт. Тези организми са живели много преди ГОЕ, може би преди 3500 милиона години (mya). Произведеният от тях кислород бързо е бил отстранен от атмосферата чрез "масово ръждясване", което е довело до отлагането на желязно-лентови образувания. Кислородът е започнал да се задържа в атмосферата в малки количества едва малко (~50 милиона години) преди началото на ГОЕ. Без изтегляне кислородът би се натрупал много бързо. При днешните темпове на фотосинтеза (които са много по-големи от тези в свободния от сухоземни растения Прекамбрий) съвременните нива на О2 в атмосферата биха могли да се образуват за около 2000 години.
Резюме:
- 3 500 миа Архайски еон: производство на кислород от цианобактерии в строматолити.
- Кислородът води до отлагане на желязо под формата на железни оксиди в лентовидни железни формации.
- c. 2400 mya Палеопротерозойска ера: свободният кислород изтича в атмосферата, като се абсорбира предимно на сушата.
- c. 850 миа Неопротерозойска ера: кислородът започва да се натрупва в атмосферата. Продължава да се увеличава през палеозойската ера до сегашните нива.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява Голямото кислородно събитие (ГОС)?
О: GOE е създаването на свободен кислород в нашата атмосфера, причинено от цианобактерии, които извършват фотосинтеза. То се е състояло в продължение на дълъг период от време, от преди три милиарда години до преди около един милиард години.
В: Как се е случило ГОЕ?
О: Преди GOE органичната материя и разтвореното желязо са улавяли химически свободния кислород. Когато не е останало достатъчно желязо, за да улови повече кислород, свободният кислород се е натрупал в атмосферата, което е било ГОЕ.
В: Какви са някои от последиците от ГОЕ?
О: Кислородът е бил токсичен за повечето анаеробни обитатели на Земята по онова време, така че много от тях са изчезнали. Свободният кислород също така е реагирал с атмосферния метан, парников газ, като го е отстранил и е предизвикал хуронското заледяване - може би най-дългият снежен епизод на Земята в историята. Оттогава свободният кислород е важна част от нашата атмосфера.
В: Какво представляват строматолитите?
О: Строматолитите са слоести структури, образувани от цианобактерии, които могат да бъдат открити в плитки водни среди като лагуни и приливни басейни. Те се образуват, когато бактериите улавят частици седимент в слоевете си от слуз и с течение на времето образуват рогозки една върху друга.
Въпрос: Как фотосинтезата е повлияла на Земята преди и след ГОЕ?
О: Фотосинтезата е произвеждала кислород както преди, така и след ГОЕ; преди това обаче целият свободен кислород е бил улавян от органични вещества или разтворено желязо, докато след това част от свободния кислород може да се натрупва в атмосферата поради липсата на налично желязо за улавянето му.
Въпрос: Кога се е случило това събитие?
О: Голямото кислородно събитие се е състояло преди три милиарда години до преди около един милиард години.
обискирам