Происхождение жизни: маленький теплый водоем - Фолсом К.
Скачать (прямая ссылка):
Таблица 4.3
Атмосфера примитивной Земли,
образованная вулканическими газовыми выбросами
Основные газы Второстепенные газы Следовые газы
Водяной пар (в океа Сера Метан
ны)
Двуокись углерода Окись углерода Сероводород
(в океаны)
Азот
Двуокись серы Водород
В ходе первых 500 млн. лет стадии вулканов гавайского типа активность была все еще довольно высокой, удары метеоритов становились более редкими, океаны сохраняли свои размеры и высокую концентрацию соли, а электрические разряды были очень частыми. Все еще преобладало большинство форм энергии, присущих предыдущей эре, включая коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Важным аспектом этой стадии было то, что в результате воздействия различных форм энергии исходный газовый состав атмосферы изменился: водные пары сконденсировались в форме дождей, углекислый газ в больших количествах растворялся в быстро возникающих океапах, а азот накапливался в атмосфере. В ходе быстрого формирования океанов атмосфера, вероятно, состояла главным образом из газообразного азота и двуокиси углерода, содержание которой было 0,03% (т. е. такое же, как в настоящее время), и лишь следовых количеств других газов. Присутствующий в небольших количествах водород, по-видимому, быстро соединялся с двуокисью серы, образуя сероводород, или был утрачен вследствие утечки водорода из верхних слоев атмосферы.
Рассматриваемая выше стадия эволюции атмосферы началась 4000 млн. лет назад и продолжалась примерно 1500—2000 млп. лет; она завершилась к тому моменту, когда началось биологическое образование кислорода,
В ходе этого длительного временного промежутка физические условия окружающей среды постепенно изменялись: вулканическая активность падала, объем и соленость океанов увеличивались, частота метеоритной бомбардировки уменьшалась. Но на Землю продолжало поступать высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В таких условиях возникла жизнь, однако появившаяся живая материя была не способпа к образованию кислорода путем фотосинтеза. Таким образом, атмосфера того периода, во многом сходная с современной, кардинально отличалась от последней — в ней не было свободного кислорода.
Именно к этому времени относятся древнейшие осадочные породы, что свидетельствует о формировании постоянных океанов. Первые из известных осадочных пород имеют возраст около 3800 млн. лет. Химические данные об этих породах подтверждают наши представления об условиях того времени. Отложения, древнее 4000 млн. лет, представлены только кристаллическими породами; это свидетельствует о том, что в существовавших в то время мелких прудах и озерах вулканический пепел, обломки пород и другие осадки еще не успели собраться, перемешаться и сконцентрироваться, для того чтобы формировать осадочные породы.
Третья, и последняя, стадия эволюции атмосферы, называемая биологической, характеризуется образованием свободного кислорода. Кислород обладает высокой реакционной способностью; он соединяется с различпыми элементами пород и свободно реагирует с такими вулканическими газами, как окись углерода, двуокись серы и водород. В отсутствие жизни в атмосфере могли бы сохраниться лишь следовые количества кислорода, и, действительно, в этих условиях кислород постепенно образуется и расходуется. Его образование является результатом фотодиссоциации воды. В атмосфере па больших высотах водяной пар подвергается воздействию ультрафиолетового излучения Солнца:
Солнечное ультрафиолетовое излучение
2Н20-----------------------------------v 02 + 2Н2.
На этих высотах газообразный водород улетучивается с Земли, а кислород остается в свободном состоянии и спо-
собен вступать в реакции с минералами и газами, имеющими меньшую степень окисления. Таким путем постоянно образуется около 2 • 1012 г кислорода в год. На первый взгляд это число кажется большим, однако, если мы вспомним, что современные фотосинтезирующие растения образуют в год в общей сложности около 181 • 1020 г кислорода, то первая цифра уже не будет производить на нас особого впечатления. В действительности из указанного количества кислорода, образующегося при фотосинтезе, в современной атмосфере остается только 12-1020 г. Остальные 171‘Ю20 г в год используются в процессах выветривания. Остаток, который сразу не используется при выветривании, составляет 20%-ный (по объему) уровень кислорода, постоянно присутствующего в атмосфере.
Атмосфера, содержащая свободный кислород, начала эволюционировать около 2000 млн. лет назад, когда у фотосинтезирующих организмов развилась способность использовать видимый свет как источник энергии и воду как донор электронов. Кислород является побочным продуктом протекающих при этом процессов. Сведения о присутствии свободного кислорода сверх тех следовых количеств, которые образуются при фотодиссоциации, были получены при изучении состояния окисл/зния железа в осадочных породах. Было показано, что породы моложе 2000 млн. лет характеризуются гораздо большей степенью окисления, чем более древние.