Нашата планета е сложна система, която се развива динамично повече от 4,5 милиарда години. Всички компоненти на тази система (твърдото тяло на Земята, хидросферата, атмосферата, биосферата), взаимодействайки помежду си, непрекъснато се променят в сложна, понякога неочевидна връзка. Съвременната Земя е междинен резултат от тази дълга еволюция.
Един от най-важните компоненти на системата, която е Земята - атмосферата, която е в пряк контакт и с литосферата, и с водната обвивка, и с биосферата, и със слънчевата радиация. На някои етапи от развитието на нашата планета атмосферата е претърпяла много значителни промени с далечни последици. Една такава глобална промяна се нарича кислородна катастрофа. Значението на това събитие в историята на Земята е изключително голямо. В крайна сметка именно с него беше свързано по-нататъшното развитие на живота на планетата.
Какво е кислородна катастрофа
Терминът възниква в началото на втората половина на 20-ти век, когато въз основа на изследването на процесите на докамбрийската седиментация,заключение за рязкото увеличение на съдържанието на кислород до 1% от сегашното му количество (точки на Пастьор). В резултат на това атмосферата придобива стабилен окислителен характер. Това от своя страна доведе до развитието на форми на живот, които използват много по-ефективно кислородно дишане вместо ензимна ферментация (гликолиза).
Съвременните изследвания направиха значителни усъвършенствания на съществуващата досега теория, показвайки, че съдържанието на кислород на Земята както преди, така и след архейско-протерозойската граница се колебае значително и като цяло историята на атмосферата е много по-сложна от преди мисъл.
Древна атмосфера и дейности на примитивния живот
Основният състав на атмосферата не може да бъде установен с абсолютна точност и е малко вероятно той да е бил постоянен в онази епоха, но е ясно, че се основава на вулканични газове и продуктите от тяхното взаимодействие със скалите от земната повърхност. Показателно е, че сред тях не може да има кислород - той не е вулканичен продукт. Така ранната атмосфера беше възстановителна. Почти целият атмосферен кислород е от биогенен произход.
Геохимичните и изолационните условия вероятно са допринесли за образуването на рогозки - слоести съобщества от прокариотни организми и някои от тях вече могат да извършват фотосинтеза (първо аноксигенни, например, на базата на сероводород). Доста скоро, очевидно още през първата половина на архея, цианобактериите овладяват високоенергийната кислородна фотосинтеза,който стана виновник за процеса, получил името на кислородната катастрофа на Земята.
Вода, атмосфера и кислород в архея
Трябва да се помни, че примитивният пейзаж се отличава преди всичко с факта, че едва ли е легитимно да се говори за стабилна граница земя-море за тази епоха поради интензивната ерозия на сушата поради отсъствието на растения. Би било по-правилно да си представим огромни площи, често наводнени със силно нестабилна брегова линия, каквито бяха условията за съществуването на цианобактериални рогозки.
Освободеният от тях кислород - отпадни продукти - навлиза в океана и в долните, а след това и в горните слоеве на земната атмосфера. Във вода той окислява разтворени метали, предимно желязо, в атмосферата - газовете, които са част от нея. В допълнение, той беше изразходван за окисляване на органична материя. Не е настъпило натрупване на кислород, има само локални увеличения на концентрацията му.
Дълго установяване на окисляваща атмосфера
Понастоящем приливът на кислород в края на архея е свързан с промени в тектоничния режим на Земята (формиране на истинската континентална кора и образуване на тектоника на плочите) и промяната в характера на вулканичната активност, причинена от тях. Това доведе до намаляване на парниковия ефект и продължително заледяване на Хурон, което продължи от 2,1 до 2,4 милиарда години. Известно е също, че скокът (преди около 2 милиарда години) е последван от спад в съдържанието на кислород, причините за което все още са неясни.
През почти целия протерозой, до преди 800 милиона години, концентрацията на кислород в атмосферата се колебае, като остава средно много ниска, макар и вече по-висока от тази в архея. Предполага се, че такъв нестабилен състав на атмосферата е свързан не само с биологична активност, но и до голяма степен с тектоничните явления и режима на вулканизма. Можем да кажем, че кислородната катастрофа в историята на Земята е продължила почти 2 милиарда години - това е не толкова събитие, колкото дълъг сложен процес.
Живот и кислород
Появата на свободен кислород в океана и атмосферата като страничен продукт от фотосинтезата доведе до развитието на аеробни организми, способни да усвояват и използват този токсичен газ в живота. Това отчасти обяснява факта, че кислородът не се е натрупвал за толкова дълъг период от време: формите на живот се появяват доста бързо, за да го използват.
Избухването на кислород на границата между архей и протерозой корелира с така нареченото Ломагундско-Ятулско събитие, изотопна аномалия на въглерода, която е преминала през органичния цикъл. Възможно е този скок да е довел до възхода на ранния аеробен живот, както е илюстрирано от биотата на Франквил, датирана преди около 2,1 милиарда години, която включва предполагаемо първите примитивни многоклетъчни организми на Земята.
Скоро, както вече беше отбелязано, съдържанието на кислород спадна и след това се колебаеше около сравнително ниски стойности. Може би проблясък на живот, който е причинил повишена консумация на кислород,който все още беше много малък, изигра определена роля през тази есен? В бъдеще обаче трябваше да възникнат някакъв вид „кислородни джобове“, където аеробният живот съществуваше доста удобно и правеха многократни опити да „достигне многоклетъчно ниво“..
Последствия и значение на кислородната катастрофа
И така, глобалните промени в състава на атмосферата не бяха, както се оказа, катастрофални. Последствията от тях обаче наистина коренно промениха нашата планета.
Появиха се форми на живот, които изграждат жизнената си дейност върху високоефективно кислородно дишане, което създава предпоставки за последващо качествено усложняване на биосферата. От своя страна, това не би било възможно без образуването на озоновия слой на земната атмосфера - още едно следствие от появата на свободен кислород в нея.
В допълнение, много анаеробни организми не можаха да се адаптират към присъствието на този агресивен газ в местообитанието си и изчезнаха, докато други бяха принудени да се ограничат до съществуването си в безкислородни "джобове". Според образния израз на съветския и руския учен, микробиолог Г. А. Заварзин, биосферата се „обърна отвътре навън“в резултат на кислородната катастрофа. Последствието от това беше второто голямо кислородно събитие в края на протерозоя, което доведе до окончателното формиране на многоклетъчен живот.
