Экологические катастрофы случались на Земле задолго до появления тяжёлой индустрии. И даже задолго до появления человека. Об одной из них слышали все. Той, что повлекла за собой вымирание динозавров приблизительно 65 млн. лет назад. Правда, здесь, возможно, винить следует внешнее воздействие, столкновение с Землёй гигантского метеорита. Но далеко не факт. Среди палеонтологов распространено мнение, что роль постороннего небесного тела была довольно ограничена. Сложившаяся экосистема и так балансировала на грани гибели, а метеорит стал лишь соломинкой, сломавшей спину верблюда. В любом случае, это случай далеко не единственный и даже не самый масштабный. Так называемое Пермское вымирание около 250 млн. лет назад изменило земную фауну ещё более радикально, уничтожив около 90% существовавших ранее видов животных. Вообще, чем дальше вглубь времён, чем проще экосистема, тем больше она подвержена необратимым изменениям. Около 2,45 млрд. лет назад, когда всё население нашей планеты было представлено исключительно одноклеточными прокариотами, оно в большинстве своём вымерло, отравившись страшным ядовитым газом – кислородом.
Свободный кислород практически полностью отсутствует в атмосферах других планет Солнечной системы. Там можно встретить азот, углекислый газ, метан, аммиак, а вот чистый кислород либо совсем не находят, либо находят в смешном количестве. На молодой Земле его тоже не было, атмосфера имела восстановительный, а не окислительный характер. К такому выводу пришли при изучении горных пород. В наиболее древних слоях находят гальку, состоящую из минералов, которые, задержись они на поверхности в наши дни, непременно окислились бы. Но в немыслимой древности, когда они стали галькой, с ними ничего подобного не произошло, значит, атмосфера не была окислительной и кислород в ней в сколько-нибудь значительных количествах отсутствовал. Между тем, даже в самых старых геологических породах находят следы жизни. Иногда непосредственно в виде окаменелостей древних бактериальных сообществ (строматолитов), иногда опосредовано, как особенности изотопного состава минералов. В последнем случае при должном анализе можно получить некоторую информацию о характере метаболизма и «плотности насления».
В наличии жизни при отсутствии кислорода ничего невероятного нет. Даже в наше время известны организмы, которые могут обходиться без свободного кислорода, так называемые анаэробы. Причём это даже не только одноклеточные. Анаэробами являются некоторые ленточные и круглые черви. А уж бактерии и археи с анаэрбным дыханием и вовсе никого не удивляют. В основе их жизнедеятельности лежат реакции сложных органических соединений. Тут правда есть свои нюансы. Анаэробным бактериям и археям кислород вовсе не нужен и даже вреден, а животные могут без него обходиться лишь на определённых этапах своего жизненного цикла. Причём, у них это вторичный признак, предки дышали кислородом, а потом приспособились к его нехватке.
Но первичное население Земли как раз составляли полностью анаэробные прокариоты. Они в большинстве своём кислород не только не поглощали, а и не выделяли, в моде были хемоавтотрофы и аноксигенный(безкислородный) фотосинтез. Так продолжалось до тех пор пока 2,7 – 2, 8 млрд. лет назад на авансцену естественной истории не вышла цианобактерия, она же сине-зелёная водоросль.
Цианобактерия использовала в процессе жизнедеятельности привычный нам со школьной скамьи фотосинтез: углекислый газ в качестве основного строительного материала - источника углерода, вода в качестве восстановителя, солнечный свет в качестве источника энергии, а побочным продуктом процесса является молекулярный кислород. Когда именно сине-зелёные появились на нашей планете, точно неизвестно, но в древнейших сохранившихся геологических породах, которые моложе Земли где-то на полмиллиарда лет, находят что-то весьма похожее. Может быть, эти организмы и были способны к кислородному фотосинтезу, но занимали в биосфере маргинальное положение. Кислород в атмосфере если и накапливался, то локально, в «кислородных карманах», по соседству с цианобактериалными матами. И для соседей по планете это было очень хорошо.
Большинство соседей составляли хемоавтотрофы, которые получали энергию, подключившись к химическим реакциям геологических процессов, и адепты аноксигенного фотосинтеза. Древние бактерии и археи широко использовали серный и железный фотосинтез. В первом случае восстановителем является сероводород, а побочным продуктом сера или серная кислота, во втором требуется восстановленное двухвалентное железо, а на выходе получается железо окисленное. Где-то миллиард лет с хвостиком, вулканы исправно поставляли нужные элементы на поверхность, а прокариоты их «кушали», и следы этого процесса отлично сохранились в геологической летописи , например в виде полосатых железных кварцитов. Потом то ли сыграло роль постепенное затухание вулканической деятельности, то ли прокариоты непомерно размножились, а скорее и то, и другое вместе. В общем, железа на всех стало не хватать, и тогда наступил звёздный час цианобактерий!
Кислородный фотосинтез – очень эффективный способ получения нужного живым организмам вещества, хотя бы потому что использует недефицитные на Земле материалы: углекислоту, воду и солнечный свет. Но при этом очень опасный. Специалисты сравнивают его с ядерным реактором. Выгоды очевидны, но если что-то пойдёт не так… Свободный кислород, выделяющийся в процессе, вещество, требующее от живого организма большой осторожности в обращении. Он химически активен и окисляет что попало. Чтобы выводить лишний кислород из организма и не допускать окисления чего не нужно, требуются серьёзные усилия. Освоившая этот процесс цианобактерия извлекала строительный материал для своего организма из воды и углекислого газа, а свободный кислород, как побочный, ненужный ей продукт совершенно бездумно выбрасывала в воздух. Впрочем, ей это простительно, думать-то ещё нечем.
Поначалу ничего страшного не произошло. Кислород быстро расходовался на окисление поверхности и растворённых соединений. Но затем поверхность окислилась и лишний кислород стал оставаться в атмосфере в свободном виде. Концентрация вредного газа всё росла и росла и около 2, 45 млрд. лет назад достигла катастрофического уровня. Большинства земных организмов того времени была совершенно не приспособлена к тому, чтобы дышать воздухом с таким составом. Они погибли, не оставив потомства, и лишь малая часть сумела приспособиться к новым условиях и освоить кислородное дыхание. Их потомкам кислород был уже необходим, и спустя полмиллиарда лет,они, по-видимому, страдали уже от недостатка кислорода.
Следы ещё одной глобальной катастрофы обнаружили совсем недавно, в ходе геологического изучения островов Бельчера в субарктической Канаде. Здесь имеется котловина, заполненная мощнейшим ( в несколько километров) слоем древних осадочных пород. Проанализировав эту бесценную геологическую летопись, учёные пришли к выводу, что около 2,05 млрд. лет назад, не только резко пошёл на спад уровень кислорода в атмосфере, но и опять сильно уменьшилось биоразнообразие . Возможно, цианобактериям стало не хватать каких-то жизненно важных химических элементов. Первым кандидатом на дефицитный ресурс выбрали фосфор. Каждый, кто имеет отношение к сельскому хозяйству, осведомлен о важности фосфатных удобрений. Причём, вероятно, фосфора не хватало не только потому, что его «поедали», а ещё и потому что он быстро окислялся. Фосфорное голодание стало причиной массового вымирания цианобактерий, что повлекло за собой резкое сокращение содержания кислорода в атмосфере, что в свою очередь могло породить вторую волну вымирания ряда организмов, привыкших к кислородному изобилию. Всё это ещё нуждается в детальном изучении, но авторы исследования делают предварительный вывод, что это вымирание было даже масштабнее предыдущего.
См. также: Непростые пути эволюции. Закон Ковалевского.
Если вам понравился материал, не забудьте поставить "лайк". Спасибо.