Эволюция химического состава атмосферы Учение о биосфере Д. Ю. Шишкина Тема 17
Периодизация истории атмосферы 1. Первичная атмосфера: H 2 и He (возможно, Xe) – 4, 55 -4 млрд лет назад; 2. Вторичная (за счет дегазации мантии): CO 2, N 2, H 2 O или H 2 O, NH 3, CH 4 – 4 -2 млрд лет назад; 3. Кислородная (2 млрд лет назад – наше время). 1. Первичная атмосфера имела химический состав, сходный с химическим составом существующих сейчас атмосфер больших планет. Состояла главным образом из легких газов – водорода и гелия, которые удерживаются силами притяжения крупных планет (Юпитер, Сатурн), но в связи с меньшей массой нашей планеты были быстро утрачены. Возможно, на начальных стадиях гетерогенной аккреции Земли произошла дегазация ксенона. Большая его часть не диссипировала, а создала первичную «ксеноновую атмосферу» . 2
Образование вторичной атмосферы Вторичная атмосфера создавалась постепенно в результате дегазации Земли. При разогревании вещества мантии происходит выплавление силикатов. Водяной пар и другие летучие соединения – HF, HCl, B(OH)3, возможно, BF 3, BCl 3 в закрытой системе под воздействием гравитационной силы оттесняются к периферии планеты. В земной коре происходит охлаждение расплава, вода освобождается в виде пара. Пары воды выносят с собой растворяющиеся в ней вещества. При выходе на поверхность пары дали жидкую фазу – собственно гидросферу. Малорастворимые в ней вещества – CO 2, CH 4, H 2 удалялись из гидросферы вверх, создавая газовую оболочку. Атмосфера состояла в основном из CO 2, к которому были подмешаны пары воды, аммиак, метан и малые порции инертных газов. Атмосфера в течение длительного времени не содержала значительного количества О 2. Свободный кислород, возникавший под влиянием фотодиссоциации, расходовался на окисление аммиака до свободного азота и воды, а метана – до углекислоты и воды. Так происходила медленная трансформация газового состава в направлении накопления в ней главного компонента современной атмосферы – азота. Одновременно накапливались радиогенные инертные газы: Ar, Xe, Kr, Ne, He. 3
Состав вторичной атмосферы: аммиачнометановый или азотно-углекислотный? • Большинство ученых считает, что кроме паров воды основными компонентами были не метан и аммиак, а углекислый газ и азот (по аналогии с составом вулканических газов Венеры и Марса). Без учета паров воды основными компонентами докислородной атмосферы были СО 2 (примерно 81 % от общего объема) и N 2 (6, 4%). • В порядке распространения вулканические газы сложены из Н 2 О, СО 2, N 2. При таком составе атмосферы наличие органических соединений и тем более их возникновение термодинамически невыгодно: любые органические соединения, состоящие из H, C, N, О, менее устойчивы, чем перечисленные выше основные компоненты первичной атмосферы. • Метан и аммиак очень неустойчивы и разрушаются под действием солнечного света. 4
Состав газов из вулканов, изверженных горных пород, вес. % Газ Килауэа и Мауна-Лоа Базальт и диабаз Обсидиан, андезит и гранит Фумаролы, горячие источники и гейзеры H 2 O 57, 8 69, 1 85, 6 99, 4 CO 2 23, 5 16, 8 5, 7 0, 33 S 2 12, 6 3, 3 0, 7 0, 03 N 2 5, 7 2, 6 1, 7 0, 05 Ar 0, 3 Следы Cl 2 0, 1 1, 5 1, 9 0, 12 F 2 0, 04 6, 6 4, 4 0, 03 H 2 0, 04 0, 1 0, 04 0, 05 5
Химический состав атмосферы Земли и Венеры Компонент Земля Венера Сейчас Первоначально N 2 , % 78 1, 5 1, 8 O 2 , % 21 Следы CO 2, % 0, 03 98 98 Ar, 10 -4% 9000 190 200 6
Отсутствие кислорода вторичной атмосферы: за Кислород в более или менее заметных количествах стал накапливаться в атмосфере после распространения фотосинтезирующих организмов. Доказательствами бескислородности первичной атмосферы являются следующие факты: • химическая эволюция, которая привела к созданию живого вещества, возможна лишь в отсутствие кислорода (по гипотезе А. И. Опарина и Дж. Холдейна только в восстановительных условиях океана могла зародиться жизнь); • в отложениях возраста старше 2 млрд. лет присутствуют соединения урана и железа, которые не могли сформироваться в условиях со значительным количеством кислорода в атмосфере (распространенность в древнейших отложениях уранинита и пирита – минералов, нестабильных в условиях кислородного выветривания); • обедненность архейских пород соединениями различных химических элементов с кислородом. 7
Отсутствие кислорода вторичной атмосферы: против • В разрезе Исуа (3, 8 млрд лет назад) обнаружены широко распространенные в докембрии полосчатые железистые кварциты. Они относятся к окисной фации железорудных формаций и отражают наличие свободного кислорода. Однако собственно свободного О 2 в атмосфере Земли было еще очень мало, поскольку он в больших количествах расходовался на окисление многих веществ: вулканических газов (CO, H 2 S, S 2, SO 2) и Fe 2+. • По мнению ряда ученых, процессы фотодиссоциации воды могли быть мощными источниками свободного кислорода и сами по себе могли привести к значительному накоплению свободного кислорода в атмосфере. • В последние десятилетия становятся вновь популярными и гипотезы об относительно больших количествах свободного кислорода в первичной атмосфере (Соколов, Барсков, 1988). 8
Формирование кислородной атмосферы Наличие кислорода сделало невозможным содержание в атмосфере значительных количеств легко окисляющихся газов. Кислородная атмосфера уже в отдаленном прошлом была образована теми же главными компонентами, из которых состоит современная. К концу рифея (1650 -650 млн лет назад) атмосфера приобрела качественно современный вид, состоящий в основном из азота и кислорода с резко подчиненными массами углекислого газа. Отличия могли быть чисто количественные: в древней атмосфере рифея было меньше, чем сейчас кислорода и больше углекислого газа. Образование кислорода - важнейший биогеохимический процесс: • Создание азотно-кислородной атмосферы и озонового экрана коренным образом изменило радиационный пояс Земли и в значительной степени предопределило всю дальнейшую эволюцию жизни. • Возрастающая концентрация кислорода резко расширила пространственные границы биосферы и обеспечила захват жизнью новых экологических зон. • Превращение дыхания в главный способ окисления органических соединений повысило эффективность энергетических процессов в организмах, общую активность их жизнедеятельности, а тем самым и общую интенсивность биогеохимических и энергетических процессов в биосфере. • Количество СO 2 и O 2 существенно зависит от деятельности организмов. Рост массы живого вещества в биосфере вызвал убыль CO 2 и соответственно прирост свободного кислорода в атмосфере. 9
Количественные оценки содержания кислорода Точки (числа) Пастера – критические для эволюции биосферы уровни содержания кислорода в атмосфере. Первая точка Пастера (1% современного содержания кислорода) появление первых аэробных организмов, способных жить только в среде, содержащей кислород. С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Вторая точка Пастера (10% современного содержания кислорода) – создались условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь). Содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться 1, 8– 2 млрд. лет назад. Это отразилось в образовании континентальных красноцветных толщ, свидетельствующих о том, что окисление растворенного в океане железа в основном закончилось и началось его окисление на суше. 10
Изменение массы кислорода в фанерозое (Будыко и др. , 1985) Сейчас в атмосфере содержится 1, 2 × 1021 г кислорода. К началу фанерозоя масса атмосферного кислорода составила приблизительно треть его современного содержания. В дальнейшем рост концентраций кислорода был неравномерным. Его резкое увеличение произошло в девоне и карбоне, когда был достигнут уровень, равный современному. В триасе содержание кислорода вновь снизилось, и лишь в середине мезозоя произошло новое резкое увеличение, сменившееся затем длительным периодом убывания. 11
Изменение концентрации углекислого газа в фанерозое (Будыко и др. , 1985) Концентрации СO 2 колебались в течение палеозоя и мезозоя в пределах 0, 1 -0, 4% от общего объема атмосферы. И только в конце мезозоя наметилась четкая тенденция снижения, приведшего в плиоцене к беспрецедентно низким значениям, которые в несколько раз меньше среднего содержания СО 2 в фанерозойских атмосферах. 12
Взаимодействие изменений газового состава атмосферы и эволюции органического мира М. И. Будыко показал, что повышение массы кислорода в девоне–карбоне, во второй половине мезозоя и в кайнозое зависело от увеличенной продуктивности автотрофных растений. Значительное уменьшение количества кислорода в пермский период и на большей части триаса, по-видимому, связано с распространением в эту эпоху аридных условий на континентах. Уменьшение CO 2 в конце палеозоя привело к падению биопродуктивности растительности и снижению биомассы биосферы. Происходящее сейчас увеличение углекислого газа в атмосфере он оценивает как «омоложение биосферы» , как ее возврат к тем периодам в истории биосферы, когда ее продуктивность была выше. 13
Гипотеза о временных совпадениях появления животных с высоким уровнем метаболизма с периодами максимального содержания О 2 М. И. Будыко выдвинул гипотезу о временных совпадениях появления животных с высоким уровнем метаболизма с периодами максимального содержания О 2 (млекопитающие – в конце триаса, птицы – в середине юры). История эволюции организмов связана с изменениями в механизмах их энергоснабжения, причем у прогрессивных организмов эффективность возрастала. Увеличение размера тела требует повышения эффективности их систем кровоснабжения и дыхания. Переход животного от существования в воде, где движение не требует преодоления силы притяжения, к жизни на суше, где эта сила является постоянной нагрузкой, требует значительного увеличения объема потребления энергии. Переход животных от ходьбы к бегу и к летанию также связаны с ростом потребления энергии. Расход энергии у позвоночных животных возрастает при формировании эффективного механизма терморегуляции. Уровень энергопотребления позвоночных животных зависит как от особенностей их строения, так и от содержания кислорода в атмосфере, т. к. аэробные организмы используют кислород в реакции расщепления глюкозы и родственных ей соединений. В ходе этой реакции образуются CO 2 и H 2 O и выделяется энергия. Возможно, в периоды повышенного содержания увеличивалось разнообразие организмов. Девон-нижний карбон – появились 2 класса рыб, земноводные, рептилии. Граница триаса– юры – млекопитающие, юра – птицы. На этом образование классов закончилось. 14
Динамика содержания СО 2 и эволюция растений Периоды увеличения концентрации СО 2 Середина девона 1 -я половина перми Середина триаса – конец мела Эпохи формирования высших таксономических групп растений Таксономические группы 2 -я половина девона Господство споровых растений Пермь – начало триаса Распространение голосеменных Мел Появление первичных цветковых растений Миоцен Экспансия степных сообществ Эоцен Миоцен 15
Взаимосвязь климатических изменений в фанерозое и динамики концентрации СО 2 Климатические изменения в фанерозое главным образом зависели от динамики концентрации СО 2 в атмосфере. При удвоении концентрации этого газа по сравнению с современным количеством (0, 03%) средняя температура воздуха повысилась на 2, 5%. Существует гипотеза об исторических преобразованиях растительности, атмосферы и климата как едином саморегулируемом процессе. Ведущая роль в этом процессе отводилась изменениям в интенсивности фотосинтезирующей деятельности растений. Этими изменениями объясняются периодические смены эпох оледенения и потепления. Предполагается, что прямые и обратные связи между растительностью и климатом осуществляются путем саморегуляции и самоускорения биологической эволюции. Периодические смены климатических эпох сопровождаются интенсивными процессами видообразования. Вновь возникающие виды растений обладали более мощными и совершенными механизмами фотосинтеза и метаболизма, что ведет к сокращению периодов биосферных ритмов и к ускорению эволюции в органическом мире. 16
«Гея-гипотеза» Джеймса Лавлока Гипотеза Геи – теория о Земле как суперорганизме, который в результате саморегуляции способен поддерживать основные параметры среды на постоянном уровне. Земля является единым живым организмом. Так, при различных уровнях энергии, поступающей от Солнца, температура поверхности планеты может оставаться приблизительно на одном уровне. Один из важнейших аргументов – неизменное на протяжении всей истории Земли функционирование атмосферы, которая определяет химический состав остальных геосфер, а её состав контролируется живыми организмами. В последнее время подвергается критике. Существует гипотеза абиогенного происхождения свободного кислорода из железного ядра Земли (А. Г. Сорохтин, 1974). Однако и по сей день существуют серьезные трудности в выборе данных и методов для количественных оценок изменений атмосферы на разных этапах развития биосферы. Особенно проблематична история докембрийской атмосферы. Обилие гипотез не компенсирует отсутствие надежных данных о скорости изменении в древних атмосферах углекислого газа, о времени появления или, наоборот, исчезновения из атмосферы кислорода, азота, метана, аммиака. Сравнительные исследования происхождения и эволюции атмосфер планет солнечной системы, развернувшиеся буквально в последние десятилетия, до сих пор дают скорее больше вопросов, чем ответов, о механизмах образования атмосферы Земли и составе первичной атмосферы. Остается неясным также количественное соотношение биогенного и абиогенного кислорода в современной атмосфере. 17
Скачать презентацию Эволюция химического состава атмосферы Учение о биосфере Д
17_Атмосфера.pptx