Не одно столетие между учеными длятся дебаты о реальном источнике кислорода на Земле. По предварительным данным первую половину жизни планета Земля вообще была без кислорода. Большая часть ученых выдвигает теорию о том, что 2,4 млрд лет назад кислород на Земле был незначительным. Кислородом наша атмосфера наполнялась постепенно.
Как на Земле появился кислород? Считается, что основной источник кислорода на Земле - цианобактерии. Это фотосинтезирующий микроб, который порождает кислород. И благодаря цианобактерии произошел резкий скачек содержания кислорода в атмосфере. Но когда и благодаря чему появились эти микробы пока до конца не известно. Также до конца еще не понятно как именно происходил процесс наполнения атмосферы Земли кислородом. Известно, что это было сочетание резкого глобального похолодания, зарождение новых видов, и появление новых минеральных пород. Как заявил Доминик Папине (специалист института Карнеги, Вашингтон), учение пока не в силах четко определить, что было причиной, а что следствием. Многое произошло практически одновременно и по этой причине так много разных несостыковок и противоречий. Чтобы больше прояснить геологическую сторону этого вопроса, Доминик Папине детально изучает процесс образование железа, а также осадочных пород, что формируются на самом дне древних морей.
Его исследования направлены на особые минералы. Эти минералы содержаться именно в образованиях железа, и они вполне могут быть связаны с возникновением жизни древних микробов и их смерти. Минералы железа, которые находятся довольно на дне морей – самый большой источник железной руды. И это не просто материал для изготовления стали. По словам геологов именно в нем скрыта богатая история зарождения жизни на планете Земле.
А происхождение этого источника до сих пор остается большой загадкой. Ученые выяснили, что для его формирования нужна помощь особых микроэлементов, но, правда, пока неизвестно каких именно. Эти морские организмы простые одноклеточные, но к сожалению никакой информации они не оставили после себя. И исследователи не могут теперь узнать, какими именно они были, и что из себя представляли.
Предполагают, что строителем таких железных минералов была именно цианобактерия. Кислород, который выходил из нее окислял железо в морях и океанах еще далеко до того как произошел великий кислородный взрыв. Но остается не ясным одно. Цианобактерия, появилась на планете Земля задолго до накопления кислорода. Выходит, что прошли сотни миллионов лет, перед тем как наша атмосфера наполнилась кислородом?
Возможно ответ в сложном переплетении биологии и геологии. Кислород, который выдыхала цианобактерия, мог разрушаться метаном. А при взаимодействии двух этих газов формируются вода и углекислый газ. Ученые отметили, что кислород никак не может накапливаться в среде богатой на метан. Метаногены вырабатывали метан и перекрывали все пути к накоплению кислорода на планете и еще нагревали Землю в результате парникового эффекта. А после того как планета Земля наполнилась кислородом количество данных организмов сократилось.
События
Первая часть истории существования Земли была лишена кислорода, в этот период на ней не было жизни. До сих пор продолжаются дебаты относительно того, кто были главными биологическими игроками на безкислородной Земле, но большинство исследователей ищут корни данного вопроса в древнейших осадочных породах.
Большинство учёных предполагают, что количество кислорода на Земле было очень незначительным около 2,4 миллиардов лет назад, пока атмосфера не наполниласьь кислородом. Этот резкий скачок в содержании кислорода в атмосфере произошёл благодаря цианобактерии – фотосинтезирующему микробу, который выдыхает кислород.
Как и когда появились микробы, выдыхающие кислород, до сих пор не определено в связи с тем, что наполнение атмосферы кислородом представляло собой сложное сочетание глобального резкого похолодания, зарождения минеральных пород, а также появления новых видов.
"Мы пока не в состоянии определить, что является причиной, а что следствием", - отметил Доминик Папине, специалист вашингтонского института Карнеги. "Многие вещи произошли практически одновременно, поэтому так много неясностей". Для того, чтобы помочь разобраться в геологической стороне вопроса Папине изучает диапазон образований железа и осадочных пород, которые формируются на дне древних морей.
Исследование Папине сфокусировано на особых минералах, которые содержатся в образованиях железа, и которые могут быть связаны с возникновением жизни и смерти древних микробов. Минералы железа, находящиеся глубоко на дне морей, являются самым крупным источником железной руды. Тем не менее, этот источник представляет собой нечто большее, чем просто материал для изготовления стали. Геологи исследуют их, так как именно они имеют богатую историю, связанную с зарождением жизни на Земле.
Однако, их происхождение – это очень большая загадка. Самый последний вывод, к которому пришли большинство учёных, заключается в том, что для их формирования необходима помощь особых микроэлементов, к сожалению, пока ещё не выявлено каких именно. Эти простые одноклеточные морские создания не оставили ничего, что могло бы помочь исследователям воссоздать их образ и понять что они из себя представляют.
Возможно, что строителем этих железных минералов была цианобактерия, а кислород из этих бактерий и вызвал окисление железа в морях и океанах еще до великого кислородного взрыва. В таком случае почему, если цианобактерия на самом деле появилась задолго до накопления кислорода на Земле, прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем атмосфера наполнилась кислородом?
Возможно, Папине и его коллеги нашли ответ на вопрос в виде сложного переплетения биологии и геологии. Кислород из цианобактерии мог быть разрушен метаном. При взаимодействии этих двух газов образуется углекислый газ и вода. Также они отметили, что кислород не может накапливаться в богатой метаном среде.
Метан появился из бактерий под названием метаногены, результатом поглощения этими бактериями углекислого газа и водорода, и стало появление метана. По этому сценарию развития событий, метаногены и цианобактерии верховенствовали в древних морях и океанах, но количество метаногенов было больше, поэтому, когда они вырабатывали метан, он перекрывал пути кислорода на накапливание, а также нагревал планету в результате парникового эффекта. Но после того, как Земля стала "кислородной", количество этих организмов резко сократилось, что позволило атмосфере заполниться этим газом.
Существует мнение, что "легкими планеты" являются леса, поскольку считается, что именно они —основные поставщики кислорода в атмосферу. Однако на самом деле это не так. Главные производители кислорода живут в океане. Этих малышей невозможно увидеть без помощи микроскопа. Но все живые организмы Земли зависят от их жизнедеятельности.
Никто не спорит, что леса, конечно же, надо сохранять и оберегать. Однако вовсе не из-за того, что они являются этими пресловутыми "легкими". Потому что на самом деле их вклад в обогащение нашей атмосферы кислородом практически равен нулю.
Никто не будет отрицать тот факт, что кислородную атмосферу Земли создали и продолжают поддерживать именно растения. Это случилось потому, что они научились создавать органические вещества из неорганических, используя при этом энергию солнечного света (как мы помним из школьного курса биологии, подобный процесс называется фотосинтез). В результате этого процесса листья растений выделяют свободный кислород как побочный продукт производства. Этот необходимый нам газ поднимается в атмосферу и потом равномерно распределяется по ней.
По данным различных институтов, таким образом, на нашей планете ежегодно выбрасывается в атмосферу около 145 млрд тонн кислорода. При этом большая часть его расходуется, как это не удивительно, вовсе не на дыхание обитателей нашей планеты, а на разложение погибших организмов или, попросту говоря, на гниение (примерно 60 процентов от используемого живыми существами). Так что, как видите, кислород не только дает нам возможность дышать полной грудью, но и выступает в роли своеобразной печки для сжигания мусора.
Читайте также: На Земле сломался кондиционер "зима-лето" Как мы знаем, любое дерево не вечно, поэтому, когда, наступает время, оно умирает. Когда ствол лесного гиганта падает на землю, его организм разлагают тысячи грибов и бактерий в течение весьма длительного времени. Все они используют при этом кислород, который вырабатывается оставшимися в живых растениями. Согласно подсчетам исследователей, на подобную "уборку территории" уходит около восьмидесяти процентов "лесного" кислорода.
Но оставшиеся 20 процентов кислорода вовсе не поступают в "общий атмосферный фонд", а также используются лесными жителями "на местах" в своих целях. Ведь животным, растениям, грибам и микроорганизмам тоже нужно дышать (без участия кислорода, как мы помним, многие живые существа не смогли бы получать из пищи энергию). Поскольку все леса, как правило, являются весьма густонаселенными зонами, этого остатка хватает только для того, что бы удовлетворить кислородные потребности лишь своих собственных обитателей. Для соседей (например, жителей городов , где собственной растительности мало) уже ничего не остается.
Кто же тогда является на нашей планете основным поставщиком этого необходимого для дыхания газа? На суше это, как ни странно… торфяные болота. Всем известно, когда на болоте погибают растения, их организмы не разлагаются, поскольку бактерии и грибы, делающие эту работу, не могут жить в болотной воде — там много природных антисептиков, выделяемых мхами.
Тем не менее взнос болот в общий "благотворительный фонд кислорода" не очень-то и велик, ведь их на Земле не так много. Куда активнее участвуют в "кислородной благотворительности" микроскопические океанические водоросли, совокупность которых ученые называют фитопланктоном. Эти существа настолько малы, что простым глазом их разглядеть практически невозможно. Однако их общее количество весьма велико, счет идет на миллионы миллиардов. Итак, отмершие части растений, не разлагаясь, опускаются на дно, образуя залежи торфа. А если нет разложения, то и кислород не тратится. Поэтому болота отдают в общий фонд около 50 процентов вырабатываемого ими кислорода (другую половину используют сами обитатели этих неприветливых, но весьма полезных мест).
Весь мировой фитопланктон вырабатывает в 10 раз больше кислорода, чем нужно ему самому для дыхания. Хватает для того, что бы обеспечить полезным газом и всех остальных обитателей вод, и в атмосферу попадает немало. Что касается затрат кислорода на разложение трупов, то в океане они весьма низки — примерно 20 процентов от общей выработки.
Происходит это из-за того, что мертвые организмы сразу же поедаются падальщиками, которых в морской воде живет великое множество. Тех, в свою очередь, после смерти съедят другие падальщики, и так далее, то есть трупы в воде практически никогда не залеживаются. Те же останки, на которые уже ни для кого не представляют особого интереса, падают на дно, где мало кто живет, и разлагать их просто некому (так образуется всем известный ил), то есть и в данном случае кислород не расходуется.
Итак, океан поставляет в атмосферу около 40 процентов того кислорода, которое произвел фитопланктон. Именно этот запас и расходуется в тех областях, где кислорода вырабатывается очень мало. К последним, кроме городов и деревень относятся пустыни, степи и луга, а также горы.
Так что, как это ни странно, род человеческий живет и здравствует на Земле именно за счет микроскопических "кислородных фабрик", плавающих по поверхности океана. Именно их-то и следует называть "легкими планеты". И всячески оберегать от нефтяных загрязнений, отравлений тяжелыми металлами и т. п., поскольку, если они вдруг прекратят свою деятельность, нам с вами будет просто нечем дышать.
С детства мы знаем, что деревья являются главным источником кислорода на планете. Позже, на уроках биологии я узнала, что кислород вырабатывается в результате фотосинтеза - процесса, протекающего в зеленых клетках листьев растений на свету. Из простых веществ - воды и углекислого газа образуются сложные химические соединения - сахара, которые потом превращаются в крахмал, клетчатку, белки и жиры, выделяется кислород.
Лесов на нашей Планете с каждым годом становится все меньше и меньше. Почему же мы не ощущаем нехватку кислорода? Может, растения поглощают углекислый газ и вырабатываемого ими кислорода хватает людям с избытком? Я решила провести опыты, и доказать, что зеленые растения поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород.
Описание опыта
Оборудование: комнатное растение с крупными листьями, две литровых банки, стеклянные пластинки (или замена), вазелин, широкая емкость с водой, стеклянная (пластиковая или др.) трубка длиной 30-40 см, лучинки, спички.
Ход опыта:
Кладем в одну банку 5-6 крупных листьев, сорванных с комнатного растения. Банку с листьями заполняем водой, прикрываем пластиной и, перевернув ее донышком вверх, опускаем в широкую емкость с водой.
Затем вытесняем воду из банки, выдыхая сквозь трубку углекислый газ. Плотно придавив горлышко банки пластиной под водой, вынимаем из воды и переворачиваем. Проделываем тоже с банкой без листьев. Приоткроем банку и введем внутрь горящую лучинку.
Лучина моментально погасла. Следовательно, воздух насыщен углекислым газом. Проделаем это же со второй банкой.
Обмажем вазелином горлышки банок. Поставим на окно. Можно на ночь оставить свет.
Через сутки - двое аккуратно приоткрываем банку с листьями, находившуюся на свету, и опускаем в нее горящую лучинку.
Лучина горит, значит, появился кислород, т. к. кислород необходим для горения. То же делаем со второй банкой. Лучина тухнет.
* Воздух в банке с листьями, стоявшей на свету, изменился - в ней появился кислород;
* Во второй банке изменений не произошло.
Значит, листья на свету вырабатывают кислород.
Проблема
Тогда у меня возник вопрос: если на зиму на большей территории Земли деревья сбрасывают листья, почему мы не ощущаем недостатка кислорода? Почему мы не задыхаемся зимой?
И я предположила: может быть есть какой-нибудь другой источник кислорода?
1. Собрать информацию в литературе, в Интернет по интересующей теме.
2. Найти ответы на проблемные вопросы:
> Сколько кислорода вырабатывает одно дерево в год? Сколько поглощает углекислого газа?
> Сколько кислорода надо в среднем человеку в год для дыхания?
> Какая площадь лесов на планете?
> Какое количество человек проживает на планете?
> Куда еще, кроме дыхания людей используется кислород? В каком количестве?
> Хватает ли кислорода, вырабатываемого деревьями для дыхания?
3. Сделать выводы. Подготовить презентацию работы.
1. Сколько кислорода вырабатывает одно дерево в год? Сколько поглощает углекислого газа?
Одно дерево в среднем вырабатывает в день 2,5 килограмма кислорода, в год - 912, 5 килограммов кислорода. Известно, что 50 м зеленого леса поглощает за 1 час углекислого газа столько же, сколько его выделяет при дыхании за 1 час один человек, т. е. 40 г.
Рассчитаем количество углекислого газа, вырабатываемого всем Человечеством (6 млрд.) за 1 сутки и количество углекислого газа, который может поглотить весь лесной массив (4 млрд. га):
50 м х 24 ч = 1200 м - S леса, необходимая для поглощения углекислого газа, вырабатываемого 1 человеком в сутки.
1200 х 6 млрд. = 720 000 000 га - S леса, необходимая для поглощения углекислого газа, вырабатываемого всем Человечеством за 1 сутки.
720 000 000 га: 4 000 000 000 га = 0,18 раз - во столько раз меньше существующая S леса, необходимая для поглощения углекислого газа, вырабатываемого всем Человечеством.
Хочется обратить внимание, что в различных источниках даются разные данные, поэтому вычисления приблизительные.
2. Сколько кислорода надо в среднем человеку в год для дыхания?
Одному человеку в сутки для дыхания нужно 0,83 кг кислорода; 302,95 кг кислорода в год.
3. Какова площадь, занимаемая лесами на планете?
Примерная площадь лесов на планете немного превышает 4 миллиарда гектаров или 30% суши. Но не все эти земли заняты собственно деревьями - сюда входят также поляны, дороги, просеки. Именно леса занимают около 3 миллиарда га.
4. Какое количество человек проживает на планете?
На планете проживает более 6 миллиардов человек.
5. Куда еще, кроме дыхания людей используется кислород? В каком количестве?
При сжигании 1 кг угля или дров расходуется более 2 кг кислорода. Это примерно кислород, вырабатываемый одним деревом.
Один легковой автомобиль сжигает 1825 кг кислорода на каждые 100 км пути. Это примерно кислород, вырабатываемый 734 деревьями. Для сгорания 1 кг бензина требуется около 300 кг кислорода, и за час работы мотор средней легковушки поглощает столько кислорода, сколько нужно человеку для дыхания в течение месяца. Ежегодно автомобиль поглощает из атмосферы в среднем более 4 тонн кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг оксида углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. Если помножить эти цифры на 400 млн. единиц мирового парка автомобилей, можно представить себе степень угрозы, таящейся в чрезмерной автомобилизации.
6. Хватает ли кислорода, вырабатываемого деревьями для дыхания населения Планеты?
Много кислорода выделяется тропическими лесами, которые часто называют >. При этом правда, умалчивается, что за год тропические леса потребляют практически столько же кислорода, сколько образуют. Расходуется он на дыхание организмов, разлагающих готовое органическое вещество, в первую очередь бактерий и грибов.
Площадь лесов - около 3 миллиардов гектаров, примерно 0,8 га на одного человека. Не так уж это и много. 14-15% занимают северные хвойные леса (Россия, Канада и США), 55-60% - тропические леса. Больше всего лесов на душу населения приходится в Канаде - 9,4 га.
Если представить, что один автомобиль в среднем за год сжигает 1825 килограммов кислорода. А одно дерево в год вырабатывает 912, 5 килограммов. А автомобилей в мире 400 миллионов, и их количество постоянно растет. Количество же деревьев постоянно уменьшается.
Общая скорость образования кислорода растениями при фотосинтезе за 1 год 1,55х10 т.
Расход кислорода за 1 год - 2,16х1010 т.
Проанализировав информацию, проведя вычисления, я узнала, что кислорода, вырабатываемого растениями лесов при фотосинтезе, не хватит для дыхания.
Возникает вопрос: есть ли другие источники кислорода?
Я стала собирать информацию, чтобы ответить на этот вопрос. Выяснилось, что доля кислорода, вырабатываемого деревьями, составляет 10 - 30 % (по разным источникам) от всего кислорода, содержащегося в атмосфере. Остальные 70 - 90 % дает нам Океан. Кислород вырабатывают в результате фотосинтеза живущие в толще воды цианобактерии, фитопланктон, частью которого являются сине-зеленые водоросли. А так как площадь Океана в три раза больше, и фитопланктона с водорослями в нем больше, чем деревьев на суше, то и кислорода океан будет вырабатывать больше.
Ответив на свои вопросы, я узнала, что на земле есть и другие источники кислорода. И эти источники вырабатывают кислорода намного больше, чем деревья. Но это не уменьшает роль лесов на Планете. Растения являются единственными источниками питательных веществ. Ведь животные не способны сами производить энергию. Они зависят от запасов питательных веществ, создаваемых растениями, и получают из них жизненную энергию.
Все в природе взаимосвязано. Загрязнение Океана может привести к уменьшению кислорода на планете. Влажные тропические леса играют жизненно - важную роль в регулировании климата на нашей Планете: они занимают особое положение в циклах круговорота кислорода, углерода и воды. На нашей планете уже уничтожено больше 50% влажных лесов, и их уничтожение продолжается.
Надо беречь и сохранять все, что дала нам природа.
Уже один миллиард лет атмосфера Земли состоит в основном из азота (20–78%) и кислорода (5–21%). Современная атмосфера Земли в объемных процентах содержит: азота - 78%, кислорода - 21, углекислого газа - 0,03, аргона - 0,93, остальные 0,04% занимают гелий, метан, криптон, закись азота, водород, ксенон. Сравнительно высокий процент содержания в атмосфере аргона - 40 объясняется тем, что в недрах Земли в него превращается большое количество радиоактивного калия - 40. Современные физические параметры атмосферы следующие: толщина атмосферного слоя до 1000 километров, масса 5·10 18 кг, давление у поверхности планеты 1 атмосфера.
В таблице показаны эволюционные изменения химического состава атмосферы в прошлом и в перспективе на 2 миллиарда лет вперед (в %). Рассмотрим причины этих изменений в химическом составе атмосферы Земли.
1 . Углекислый газ CO2 появился благодаря обильным вулканическим извержениям . Нет единого мнения о его процентном составе в атмосфере 4 - 5 миллиардов лет назад. Газовый состав современных вулканических извержений содержит 40% по весу углекислого газа, а азота N 2 - 2%. Однако можно предположить, что в прошлом углекислый газ имел возможность накапливаться в атмосфере до 90%. Это объясняется тем, что CO 2 и N 2 являются самыми инертными химическими соединениями атмосферы, и они почти не вступают в реакции c другими элементами. Остальные вулканические газы (HCl, CN, HF, SO 2 , NH 3 и другие) относятся к крайне агрессивным компонентам, поэтому быстро «уничтожались», вступая в соединения с металлами горных пород, веществами вулканической лавы, растворенными в водах солями. Следовательно, процентное содержание углекислого газа и азота постоянно возрастало, а других газов - постепенно уменьшалось.
Становится понятным, как содержание углекислого газа в атмосфере молодой Земли могло повыситься до 90%, а содержание азота в наше время достигло 78%. Основными потребителями углекислого газа являются растения. Источниками углекислого газа являются вулканы, промышленность и процесс дыхания животных. Основными резервуарами хранения являются атмосфера и океан.
А) Основные «резервуары для хранения» углекислого газа на Земле.
1) Сейчас в атмосфере содержится 0,03% углекислого газа, что составляет 2·10 15 килограмм. Одновременно с этим на Земле произрастает 10 16 кг растений (по А.Виноградову), которые за год поглощают более 10 14 кг углекислого газа. Тогда углекислого газа хватит только на 20 лет.
2) Крупным «резервуаром» углекислого газа являются океаны и моря, так как в их водах растворено 5·10 16 кг углекислого газа. Тогда только в течение 500 лет растительный мир Земли мог бы расходовать растворенный в гидросфере углекислый газ. Углекислый газ из атмосферы и сегодня в большом количестве растворяется в водах океанов и морей. Вызывает тревогу то, что в будущем продолжится понижение процентного содержания углекислого газа в атмосфере, а следовательно, он снизит свою концентрацию и в океане.
Б) Основные источники углекислого газа на Земле.
1) Вулканические извержения в прошлом являлись самым главным источником углекислого газа для атмосферы, а растения - единственными потребителями углекислого газа. В настоящее время все вулканы за год выделяют в атмосферу 10 9 кг углекислого газа, а цивилизация сжигает органические топлива, и тем самым также пополняет атмосферу углекислым газом еще на 3·10 12 кг в год (т.е. в 3000 раз больше, чем вулканы). Вулканические процессы на планете постепенно затухают по мере ее «старения». Через 1 миллион лет вулканизм на Земле полностью прекратится.
2) Около 150 лет еще будет действовать дополнительный источник углекислого газа - цивилизация, которая в большом количестве сжигает ископаемые органические вещества (уголь, нефть, дрова, горючие сланцы - сайт). Но затем эти полезные ископаемые будут исчерпаны. Залежи полезных ископаемых типа угля, нефти, природного газа цивилизация исчерпает через 150 лет, и цивилизация прекратит пополнять атмосферу углекислым газом, образующимся при сгорании органических топлив. Поэтому одни ученые полагают, что, несмотря на сжигание топлива в течение 150 лет, процентное содержание углекислого газа в атмосфере будет снижаться. Количество CO 2 останется прежним (0,03%), так как он поглотится растениями и произойдет компенсационное увеличение биомассы у растений Земли. Другие ученые говорят о повышении содержания углекислого газа в атмосфере до 0,04 - 0,05% с последующим незначительным потеплением климата на планете к 2150 году. Так или иначе, но после 2150 года цивилизация останется без органического топлива и процесс глобального снижения количества углекислого газа в атмосфере продолжится.
3) Углекислый газ также выделяется в атмосферу в количестве 10 10 кг в год при разложении умерших животных и погибших растений в океанах, морях и на суше. Так же углекислый газ выделяется при дыхании животных и человека из их легких.
В) «Скорость» исчезновения углекислого газа из атмосферы Земли.
Обратим внимание на то, что хотя в течение последних десятков миллионов лет «работали» все природные источники углекислого газа (вулканизм, океаны, гниение), однако содержание углекислого газа в атмосфере снижалось и, например, за время кайнозойской эры (за 70 миллионов лет) упало с 12% (перед началом кайнозойской эры) до 0,03%, то есть в 400 раз. Через 10 миллионов лет количество углекислого газа в атмосфере уменьшится в 1000 раз, процентный состав будет 0,000003%. Такое уменьшение содержания углекислого газа воздействует губительно для всех растений, что подтверждается на опытах с помещением растений под стеклянный колпак и одновременным уменьшением там содержания СО 2 . Растения "съели" весь углекислый газ атмосферы. Газовый источник пищи для растений почти иссяк. В ответ на это растения вынуждены будут сначала (через 100 тысяч лет) уменьшать собственную биомассу в сотни раз, а, в конце концов, все растения погибнут от отсутствия углекислого газа в атмосфере.
Углекислый газ будет полностью трансформирован растениями в кислород примерно через 30 миллионов лет. Учёные полагают, что благодаря естественному круговороту веществ углекислый газ не исчезнет из состава земной атмосферы почти 30 миллионов лет. Поэтому можно утверждать, что после 30 миллионов лет, по причине отсутствия углекислого газа в атмосфере произойдет полное вымирание растительного мира. Понятно, что одновременно с исчезновением растений произойдет гибель травоядных животных. После этого вымрут хищники, и произойдет полное исчезновение животного мира. Земля лишится всех видов жизни по двум геокосмическим причинам: исчезновение углекислого газа из атмосферы и сильного похолодания на поверхности планеты.
2 . Кислород O 2 . Сейчас можно сформулировать один из главных законов биологической эволюции: первым видом живой материей во Вселенной являются растения, которые превращают неорганическую материю (CO 2) в органическую (древесину, листья, плоды, цветы). Вторым видом живой материи во Вселенной является животный мир, который появляется на планете после насыщения океанов и атмосферы кислородом (O 2) в процессе жизнедеятельности растений, а пищей для животных служат растения и другие животные.
А) Основным источником кислорода на Земле являются растения.
После 3,5 миллиардов лет, когда в океане появились первые растения (водоросли), на Земле происходил процесс насыщения кислородом атмосферы и вод океана. В обмен на поглощение углекислого газа растения выделяют в атмосферу кислород. Кислород в атмосфере появился 3 миллиарда лет назад в количестве 0,1 - 1%. Он относится к очень активным химическим веществам. Поэтому в прошлом около 10 20 кг кислорода из атмосферы было потрачено на окисление атмосферных газов, растворенных в океанах и морях веществ, а также на окисление веществ горных пород на суше и на дне океанов. Весь современный растительный мир планеты в год потребляет 10 14 кг углекислого газа и выделяет 3·10 13 кг кислорода, что в 3,3 раза меньше массы безвозвратно поглощенного углекислого газа.
Поэтому можно сделать вывод, что в настоящее время количество кислорода в атмосфере увеличивается, а количество углекислого газа уменьшается. Если этот процесс не замедлится, то через 1500 лет в атмосфере будет 26% кислорода, через 3000 лет – 42% (в 2 раза больше, чем сейчас). Но такого большого увеличения процентного состава кислорода в атмосфере не произойдет, так как для этого недостаточно углекислого газа планеты. На поверхности Земли (в атмосфере и океанах - сайт) находится примерно 10 17 кг углекислого газа, из которого растения могут получить 3·10 16 кг кислорода (3% от находящегося в атмосфере). Следовательно, максимальное количество кислорода в атмосфере может увеличиться до 24% (21% + 3%). При нынешних темпах выделения кислорода растениями, в атмосфере его будет содержаться 24% через несколько миллионов лет.
Б) Основные «резервуары и хранилищами» кислорода на Земле является атмосфера и океан.
Сейчас количество кислорода в атмосфере 21%, что составляет по весу 10 18 кг. Примерно в 3 раза большая его масса растворена в водах океанов, морей, озер и рек. Рыбы дышат именно этим, растворенным в воде, кислородом.
В) Основные потребители кислорода на Земле является мантия Земли, промышленность и животные.
1) Затраты кислорода на глобальное окисление. Вода с растворенным в ней кислородом проникает глубоко в недра Земли, где кислород вступает в реакцию с еще не окисленными веществами коры и мантии. Нагретая в недрах Земли вода в виде пара поднимается на поверхность планеты, чтобы остыть и пропитаться новой порцией кислорода, а потом снова опускается в недра. Делая бесчисленные круговороты, подземная вода за год уносит в недра Земли около 10 11 кг кислорода. Процесс окисления веществ в недрах планеты растворенным в воде кислородом является достаточно мощным источником его глобального потребления. Годовая потребность в кислороде для этого геохимического процесса составляет 10 11 кг.
Вся масса свободного кислорода в атмосфере и океане равна примерно 3·10 18 кг. Значит, кислород атмосферы и океана будет истрачен на окисление остывающих горных пород мантии и вещества ядра Земли через 30 миллионов лет после гибели всех растений на Земле (т.е. через 60 миллионов лет, считая от сегодняшнего дня). После потери кислорода атмосфера будет состоять исключительно из азота. Поэтому через 60 миллионов лет атмосферу Земли ожидает азотная стадия эволюционного развития.
2) Затраты кислорода на сжигание топлива. Ежегодно затрачивается 5·10 12 кг кислорода атмосферы на сжигание цивилизацией органического топлива и в пожарах (лесные, на нефтяных скважинах и т. д.). Конечным продуктом сжигания являются углекислый газ и вода.
Органическое топливо + 3О 2 = СО 2 + 4Н 2 О.
Растения почти сразу трансформируют углекислый газ (от сжигания топлив и пожаров) опять в кислород. Безвозвратно теряется только кислород при синтезе воды во время горения органических веществ, что составляет 2·10 12 кг в год.
3) Кислород атмосферы потребляется в момент дыхания животных и людей в количестве около 10 9 кг в год. Выдыхается из легких животных и человека углекислый газ, который быстро трансформируется растениями опять в кислород.
4) Вывод о темпах глобального поглощения кислорода. Если суммировать массу поглощенного кислорода из атмосферы и массу растворенного кислорода в океанах, то получится величина около 6·10 12 кг в год. При этом необходимо учитывать, что необратимо (безвозвратно) масса кислорода поглощается в количестве 3·10 12 кг в год, а остальная его масса образует углекислый газ и вступает в круговорот.
3 . Азот N2, которого сейчас в атмосфере 78% (или около 4·10 18 кг), образовался по двум причинам . Азот выделяется в атмосферу в течение 5 миллиардов лет благодаря вулканическим процессам. Вулканические газы содержат от 0,1 до 2% азота. Газообразный азот обладает низкой химической активностью, поэтому он постоянно накапливается в атмосфере Земли. В водах океанов и морей растворено азота в 5 раз больше, чем в атмосфере – 20·10 18 кг. Всего на поверхности Земли содержится 24·10 18 кг свободного азота. Кроме вулканического происхождения существуют другие механизмы поступления азота в атмосферу. Азот поступал в атмосферу при процессе окисления аммиака. Академик А.Виноградов отстаивает именно эту гипотезу возникновения азота в атмосфере Земли. По приблизительным расчетам, с 5 до 2 миллиарда лет назад в атмосфере Земли содержалось от 5 до 20% аммиака. Начиная с момента, когда растения начали выделять в атмосферу кислород, возник глобальный процесс окисления аммиака с образованием азота.
2NH 4 + 2O 2 = N 2 + 4H 2 O.
Азот, в отличие от углекислого газа и кислорода, не участвует в глобальных биохимических процессах. Его усваивают в незначительных количествах в год некоторые виды азотобактерий в почве и илистом дне водоемов. Азот внутри бактериальных клеток превращается в аммиак, цианистые соединения, окись и закись азота. Биологами подсчитано, что за год атмосфера безвозвратно теряет на микробиологические процессы 10 11 кг азота. Тогда весь свободный азот Земли будет усвоен бактериями через 240 миллионов лет.
