Почему избыток кислорода на планете так же вреден, как и недостаток

Климатолог Родин: избыток кислорода в воздухе повредит человечеству

Без кислорода жизнь людей и животных невозможна. Этого газа не было в атмосфере древней Земли, и появился он исключительно благодаря живым существам. В честь Дня чистого воздуха для голубого неба «Газета.Ru» выяснила, когда на нашей планете стало можно дышать, какие были плюсы у избыточной концентрации кислорода в эпоху гигантских насекомых и почему возврат к ней будет губителен для людей.

Откуда на Земле взялся кислород?

Наша планета сформировалась примерно 4,54 млрд лет назад, почти сразу (по геологическим меркам) после образования Солнечной системы. Самая первая разреженная атмосфера состояла из легких газов, захваченных из межпланетного пространства, водорода и гелия. Она быстро улетучилась в космос под действием тепла Земли и солнечного ветра, и гелий стал сравнительно редким элементом.

Вторая атмосфера просуществовала куда дольше и сыграла решающую роль в геологической истории планеты. Она состояла в основном из углекислого газа, метана, водяного пара, азота и ряда других газов. Углекислота и метан порождают парниковый эффект, и потому океаны не замерзали, несмотря на гораздо более тусклое Солнце. Так сложились начальные условия для зарождения жизни в ходе химической эволюции. Интересно, что плотная азотно-метановая атмосфера существует также на спутнике Сатурна Титане, поэтому он считается одним из самых перспективных мест в Солнечной системе для поиска внеземной жизни. Там слишком холодно для существования жидкой воды, но все равно есть океаны и идут дожди — из этана и метана.

Примерно 4 млрд лет назад на Земле появились первые живые микроскопические организмы. 3,5 млрд лет назад часть из них развила способность к фотосинтезу, некоторые при этом выпускали в окружающую среду кислород в качестве побочного продукта. Этот процесс шел в мелких масштабах, и очень долго избыточный кислород не попадал в атмосферу. Он тут же расходовался на окисление химически активных веществ в воде, в первую очередь, железа.

Кислородная катастрофа

Все изменилось примерно 2,4 млрд лет назад, когда цианобактерии перешли к более эффективному фотосинтезу, используя воду в качестве источника электронов для реакции. Даже цианобактериям потребовалось полмиллиарда лет, чтобы окислить побочными продуктами своего существования в океане все, что можно. Поэтому рост концентрации кислорода в воздухе начался примерно 2 млрд лет назад и остановился на уровне в 10% от нынешнего.

Однако химический активный кислород, как считают ученые, уничтожил большую часть анаэробной жизни, в том числе колонии архей, которые использовали бескислородный фотосинтез. Согласно оценкам, биосфера сократилась на 80% — хотя из-за нехватки данных это событие не ставят в один ряд с хорошо изученными массовыми вымираниями. Вдобавок, когда кислород попадал в атмосферу, он окислял метан, крайне эффективный парниковый газ. В результате наступило гуронское оледенение и земля практически замерзла. В некоторые моменты ледники могли практически доходить до экватора, как минимум, локально.

Второй скачок концентрации кислорода начался 800 млн лет назад. Ученые не знают его точных причин, но он однозначно связан с изменениями в биосфере и шел синхронно с диверсификацией и усложнением многоклеточных организмов. По одной из версий, жизни перестали мешать сульфидные соединения, ограничивающие кислородный метаболизм. Все эти факторы привели к кембрийскому взрыву — периоду, в ходе которого биомасса быстро росла и возникли основные типы современных животных, хордовые, членистоногие и моллюски.

С тех пор уровень кислорода непрерывно колебался, пройдя 35%-й пик в каменноугольный период (359-299 млн лет назад) и достигнув современных 21%.

Кислород равно жизнь?

Без кислорода на Земле не возникли бы сложные многоклеточные организмы. Высокие концентрации этого газа в каменноугольный период давали насыщать им тело и позволяли существовать крупным насекомым, вроде гигантских стрекоз. Насыщенная кислородом атмосфера упрощала дыхание и способствовала интенсивной работе крупных мускулов. Кислород связан с жизнью, а жизнь — с кислородом, и если когда-нибудь астрономы обнаружат экзопланету земного типа с высокой его концентрацией в атмосфере, то сочтут это надежным доказательством наличия биосферы. Однако дальнейшее насыщение атмосферы кислородом едва ли поспособствует жизни.

«Есть две фундаментальные проблемы. Если концентрация кислорода на 60% меньше современной, то сложную аэробную жизнь становится трудно поддерживать, — крупные организмы начинают вымирать. Но если концентрация становится на 60% больше, то все начинает гореть. Отложения каменноугольной эпохи несут следы множества лесных пожаров, так что ни к чему хорошему для нашей биосферы возврат к тому уровню кислорода не принесет. Избыток кислорода в воздухе повредит человечеству», — объяснил «Газете.Ru» исполнительный директор научно-технического центра мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ, климатолог Александр Родин.

При этом резко измениться содержание кислорода в воздухе также не может, продолжает ученый. Его уровень в любую эпоху объясняется равновесием между производством и потреблением. Производится кислород почти исключительно биосферой — наземными растениями и морскими организмами.

Потребляется кислород также, в первую очередь, жизнью, но не только. Кислород окисляет химически активные вещества, расходуется в пожарах, превращается в озон под действием солнечного излучения. Сдвинуть баланс между производством и потреблением может либо масштабное изменение биосферы, либо смена климата. Но даже в этом случае перемены будут не критичными.

Почти все, что известно об истории атмосферы в прошлые геологические эпохи, подвергается сомнению из-за слишком скудных данных. Однако ученым ясно, что в наши дни концентрация кислорода на Земле медленно, но падает из-за снижения зеленой массы. Скорее всего, это связано с хозяйственной деятельностью человека.

«Не думаю, что можно всерьез обсуждать риск значительного роста или падения концентрации кислорода в воздухе. Если мы настолько сильно сократим массу зеленых фотосинтезирующих растений, то гораздо раньше, чем исчезнет кислород, вымрут все остальные живые организмы, которые по пищевой цепочке все равно зависят от фотосинтеза. Просто от голода», — сказал Родин.

Равно невероятное повышение уровня кислорода также не пошло бы на пользу людям и биосфере. Помимо угрозы пожаров, современные животные, включая людей, скорее всего не выжили бы в атмосфере каменноугольной эпохи, которая подходила гигантским стрекозам, считает ученый. Согласно современным стандартам, опасной считается концентрация кислорода выше 23,5%.

Таким образом, человечеству везет, что концентрация кислорода в воздухе не может ни сильно вырасти, ни упасть.