из воды, при помощи электролиза. Острая необходимость в этом еще долго не наступит, но при одном условии, если наши водоросли, растения, леса будут производить в достатке необходимый нам газ. Взрослый человек, если он не занят тяжелым физически трудом, расходует за свои годы кислорода примерно 300 килограммов. Если даже воспользоваться старыми подсчетами и взять за основу сумму веса воздуха тех ученых, то получается, что имеющегося кислорода без его генерирования будет достаточно для обеспечения жизни 3 400 000 000 000 людей, в то время, как в настоящем нас приблизительно 6 миллиардов.
Учёные из Китая, США и Франции нашли новый метод отслеживания содержания кислорода в пузырьках воздуха, содержащихся в полярных льдах. Благодаря этому им удалось установить, что содержание этого газа в атмосфере Земли за последние 800 000 лет снизилось на 0,7 процента. Причиной такого события могло стать падение температуры, идущее на Земле в последние миллионы лет. Соответствующая опубликована в журнале Science .
Исследователи решили узнать, как менялось количество кислорода в атмосфере планеты в последние 800 000 лет, сравнив, как изменялось соотношение кислорода и азота в образцах льда из Гренландии и Антарктиды. Такой метод был применён учёными впервые. К сожалению, для более ранних эпох новый способ неприменим, так как в ледниках фиксируются пузырьки воздуха в только в том случае, если идёт процесс роста ледникового массива. В последние 800 000 лет ледники Гренландии и Антарктиды в целом росли, а до этого многие миллионы лет их размер был стабилен или уменьшался.
Выяснилось, что за последние 0,8 миллиона лет в содержании кислорода на Земле произошли значительные изменения. Его концентрация снизилась на 0,7 процента. Хотя, на первый взгляд, это небольшое изменение, в действительности это немало. Чтобы такой процесс мог произойти, связывание кислорода должно было идти активнее его выработки растениями примерно на 1,7-2,0 процента. А это эквивалентно миллиардам тонн газа в год, причём, что именно отвечало за его связывание, пока остаётся неясным.
Авторы работы предложили гипотезу, по которой ускоренное связывание кислорода произошло из-за общего охлаждения климата планеты в последние несколько миллионов лет. Как отмечают исследователи, при падении температуры количество кислорода, способного раствориться в единице объёма морской воды, резко растет. На дне океанов кислород постепенно связывается морскими осадочными породами, содержащими углерод. В таком случае общее похолодание климата может привести к связыванию на морском дне значительных объемов кислорода. По расчётам, оно является долговременным и после этого утерянный из атмосферы газ более туда не возвращается.
Если бы процесс такого рода длился несколько десятков миллионов лет, содержание кислорода в воздухе могло упасть куда значительнее, на десятки процентов относительно его современного уровня. Это соответствует условиям на высотах в несколько километров. В случае если данная гипотеза верна, идущее сейчас глобальное потепление потенциально способно увеличить концентрацию кислорода в воздухе.
На данный момент в науке нет чёткого понимания того, как менялась концентрация кислорода в последние сотни миллионов лет. Известно лишь, что уже 800 миллионов лет назад его было достаточно для дыхания крупных животных типа человека, хотя и в два раза меньше, чем сегодня. В последние 500 миллионов лет климат на планете был, как правило, значительно теплее сегодняшнего. Поэтому ряд исследователей допускают, что основную часть этого периода кислорода в воздухе было больше, чем сейчас. В таком случае метаболизм наземных животных мог быть более активным, чем типичный для нашего времени.
В которой экспериментально подтверждают свою гипотезу, объясняющую появление на Земле кислорода нерастительного происхождения.
Почти все живое использует для дыхания кислород. Не вникая особенно в физику и химию процессов клеточного дыхания, скажем, что выбор эволюции пал на кислород из-за его высокой способности к окислению, то есть тому, чтобы легко присоединять лишний электрон. Электрон поступает в электротранспортную цепь от НАДH или ФАДH 2 путешествует по ней, и все заканчивается синтезом молекулы АТФ - материальным эквивалентом запасенной энергии и присоединением электрона к кислороду. Вся эта реакция становится возможной, потому что такой перенос электрона энергетически выгоден, а это частично обусловлено свойствами кислорода.
Когда жизнь на Земле зарождалась, кислорода в атмосфере практически не было, как нет его сегодня на Венере или Марсе. Древние бактерии были вынуждены использовать другие окислители , зачастую энергетически менее выгодные, зато доступные. NO 3 - , NO 2 - , Fe 3+ , фумарат и диметилсульфоксид, используемые некоторыми видами бактерий, обладают более высоким окислительно-восстановительным потенциалом и менее выгодны в качестве окислителей. Многие бактерии, использующие один из этих окислителей, способны также и к кислородному дыханию. При наличии кислорода они дышат им (это выгоднее), а когда кислорода нет, - другим своим окислителем (надо же как-то). Серосодержащие окислители (S, SO 4 -) обладают более низким окислительно-восстановительным потенциалом. Это, однако, делает кислород токсичным для соответствующих микроорганизмов, и в атмосфере, содержащей кислород, они погибают. У более высокоорганизованных жизненных форм анаэробное дыхание встречается редко и почти никогда не служит основным источником энергии.
Могли ли высокоразвитые формы жизни использовать в качестве окислителя не кислород? Кислород в качестве окислителя энергетически выгоднее большинства других субстратов (чем ниже окислительно-восстановительный потенциал окислителя, тем больше энергии выделяется при прохождении электрона через электротранспортную цепь). Значит, дышащие кислородом организмы обладали более эффективным метаболизмом, были лучше адаптированы. С энергетической точки зрения серосодержащие субстраты тоже вполне выгодны. Проблема, правда, заключается в том, что обладатели такого типа дыхания гибнут в присутствии кислорода. До сих пор не вполне понятно , почему именно это происходит. То есть, если бы в атмосфере Земли не появился кислород, со временем обладатели сульфатного дыхания могли бы эволюционировать и дальше. Но кислород появился, и им пришлось отправиться в «резервации», куда кислород не поступает.
Вопрос в том, откуда появился кислород. На сегодняшний день в атмосфере Земли примерно 20% кислорода. В таких огромных количествах его выделяют фотосинтезирующие растения, в основном, деревья и водоросли. Но фотосинтезирующие растения сами теперь в большинстве своем дышат кислородом. Чтобы в ходе эволюции мутации, позволяющие дышать кислородом, закрепились, это должно быть выгодно, значит, должен быть кислород. В большом количестве кислород на Земле появился благодаря цианобактериям . Это азотфиксирующие бактерии, умеющие фотосинтезировать. То есть массово кислород появился на Земле как побочный продукт фотосинтеза. Это событие называют «Кислородной катастрофой », видимо, за масштаб последствий.
А вот на вопрос о том, был ли кислород до этого, остается открытым. Последние 40 лет все увереннее стали говорить, что кислород был и до Кислородной катастрофы, и вот теперь возможность его существования подтверждена экспериментально.
До сегодняшнего дня был известен только один способ возникновения молекулярного кислорода в тогдашних условиях. Он состоит из двух стадий: диссоциации углекислого газа под воздействием солнечного ультрафиолета на угарный газ и атомарный кислород и реакции двух атомов кислорода, требующей третьего участника: атомы объединяются в молекулу, а носитель (M) уносит лишнюю энергию.
CO 2 + hν(UV) → CO + O
O+O+M → O 2 + M
Однако же расчеты, а затем и эксперимент, проведенные авторами обсуждаемой статьи показали, что кислород может под действием ультрафиолета образовываться из углекислого газа в один шаг:
CO 2 + hν(UV) → C+O 2
В эксперименте использовался лазер с длиной волны 200 нм, свет с такой длиной волны обычно поглощается атмосферой, поэтому реакция должна была протекать в верхних ее слоях. Такая реакция может и сейчас, когда содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается, происходить в верхних слоях атмосферы Земли, а может и в атмосферах других планет.
Ученые находят все больше доказательств того, что в прошлом на Марсе были условия для жизни. Британские планетологи определили, что миллиарды лет назад на Красной планете было не меньше кислорода, чем на Земле. Исследование ученых Оксфордского университета было опубликовано в журнале Nature.
Ученые находят все больше доказательств того, что в прошлом на Марсе были условия для жизни
mars.nasa.gov
Планетологи изучили древние породы из марсианского кратера Гусева, собранные марсоходом Spirit. Определив в них долю оксидов и серы, они пришли к выводу, что их количество превышает то, что содержится метеоритах, одинакового с ними происхождения. Это удивило исследователей, так как метеориты сформировались намного позднее пород на Красной Планете. Если анализируемым минералам было около 3,7 миллиарда лет назад, то метеоритам - 180-1400 миллионов лет. Это натолкнуло планетологов на мысль о том, что породы впитали в себя кислород во время контакта с Марсом миллиарды лет назад.
Кроме того, ученые установили, что доля кислорода в марсианских породах была сопоставима с той, что содержалась в базальтах юной Земли. "Результаты исследований свидетельствуют о том, что воздушная оболочка Марса обогатилась кислородом 4 миллиарда лет назад, задолго до того, как аналогичные процессы произошли на Земле. Такое количество кислорода появилось на Земле 2,5 миллиарда лет назад", - цитирует The Daily Mail ученого Бернара Вуда. "Кислород дал этой планете специфический цвет. Мы склонны думать, что Марс был теплой и влажной планетой задолго до того, как Земля обрела эти свойства", - подчеркнул Вуд.
NASA составило панораму, на которой видна "марсианская птица в полете"
NASA составило панораму, на которой видна "марсианская птица в полете"
mars.nasa.gov
Тем временем американское космическое агентство NASA подготовило высококачественную панораму с возможностью детально изучить породы Красной планеты. Панорама, опубликованная на сайте ведомства, была составлена из 900 изображений общей "массой" 1,3 миллиарда пикселей.
На фото можно разглядеть "блестящие объекты"
mars.nasa.gov
Снимки были сделаны марсоходом Curiosity с 5 октября по 16 ноября 2012 года. Ровер вел съемку при помощи трех камер в районе Rocknest на дне кратера Гейла, где он собирает образцы пыли и камней, передает CBS.
Прямоугольник, вырезанный в камне
mars.nasa.gov
При приближении на фото можно разглядеть "блестящие объекты", как они подписаны на панораме, "прямоугольник, вырезанный в камне", и даже "марсианскую птицу в полете". "Определенно, это странно. Но выглядит как птица в полете", - сообщается в подписи.
Марсоход Curiosity совершил посадку на поверхность Марса 6 августа 2012 года. На борту аппарата установлены 10 научных инструментов, предназначенных для детальных геологических и геохимических исследований, изучения атмосферы и климата планеты, поиска воды и ее следов, органических веществ. Инструменты призваны определить, был ли когда-то Марс пригоден для жизни и есть ли на нем места, пригодные для жизни сейчас.
Кислород чаще всего ассоциируется с атмосферой. Атмосфера – это скафандр планеты Земля. Если сравнивать что человеку важнее для жизни на Земле, то можно попробовать сравнить без чего и как долго человек не сможет жить. Итак, без пищи человек может жить примерно месяц; без воды человек может протянуть неделю; а вот без воздуха человеку не протянуть и часа. Однако не стоит заблуждаться на сей счёт, поскольку все составляющие нашей обители нам жизненно необходимы и без них невозможно не только наше развитие, но и сама жизнь.
Откуда мы берём кислород
Само слово атмосфера греческого происхождения и состоит из «атмос» - пар и «сфайра» - шар, она представляет собой скафандр для планеты и является резервуаром кислорода. Этот химический элемент является необходимым компонентом для протекания в организме окислительно-восстановительных реакций и, кроме того, выполняет ряд защитных функций.
Атмосфера имеет протяжённость свыше тысячи километров; да, даже на такой высоте обнаруживают следы газов, входящих в атмосферу. Это неудивительно так как действие гравитационного поля Земли распространяется на 10 земных радиусов, а это около 60.000 км.
Напомним, что атмосфера состоит из пяти основных сфер:
- Тропосфера (0-10 км).
- Стратосфера (10-50 км).
- Мезосфера (50-100 км).
- Термосфера (100-800 км).
- Экзосфера (800-1100 км).
Впрочем, данное деление атмосферы не совсем точно отражает её содержимое. Так, например, название ионосфера присвоено слою атмосферы, который подвергается облучению примерно на высоте 80 км и обнаруживает большое число ионов и свободных электронов.
На всём своём протяжении атмосфера более-менее стабильна поскольку она состоит из газообразных продуктов, не вступающих в реакции при обычных условиях. Эта смесь и называется воздухом. В основном воздух состоит из азота (78%), кислорода (21%) и аргона (1%). Учёные также оценили, что масса атмосферы нашей планеты составляет 5*1015 тонн и, разумеется, что основная её часть находится «на дне» воздушного пятого океана.
Однако атмосфера не является единственным источником воздуха и кислорода в частности. Например, огромные водные запасы, дающие массу испарений ежесекундно, вызывают колебания состава воздуха и, как результат, кислорода. Леса, которые часто называют «лёгкими» планеты, дают значительный массовый прирост кислородной составляющей атмосферы. Немаловажную роль в формировании состава воздуха и содержания кислорода в нём играет деятельность людей. Тот факт, что кислород входит в целый ряд веществ, находящихся в твёрдом и жидком состояниях, не имеет большого влияния на содержание кислорода в атмосфере.
Важным фактом является также и то, что кислород в атмосфере Земли был не всегда – он появился там примерно 2 млрд. лет тому назад вместе с появлением первых хлорофилловых организмов. Но только за последние 20 млн. лет концентрация кислорода в атмосфере стала примерно такой, как сейчас.
Может ли кончится кислород?
Существует ли реальная возможность полного истощения кислорода на Земле? Теоретически такая возможность существует, однако для паники нет никакого повода.
Сейчас уже широко известны основные «потребители» кислорода:
- Автомобиль, проехавший расстояние в 500 км «съедает» годовую дыхательную норму человека;
- Самолёт, пролетевший 10 тыс. км сжигает 30-50 т кислорода, что составляет суточную производственную норму лесного массива площадью 15-20 тыс. га
Уровень потребления кислорода на Земле огромен, однако экспериментальные измерения показывают, что за последние 100 лет количество атмосферного кислорода не уменьшилось. Потери кислорода в атмосфере возмещаются растительностью суши и мирового океана, которые пока способны производить около 320 миллиардов тонн свободного кислорода. Однако следует помнить, что потребление кислорода людьми растёт, а популяция растений на земле стремительно сокращается. Эти процессы пока никем не контролируемы.
Всё же рост потребления кислорода не представляет такой значительной угрозы как ежегодные выбросы в атмосферу объёмом около миллиарда тонн химических соединений, а также нескольких миллиардов тонн твёрдых частиц и различных аэрозолей. Другими словами, не недостаток кислорода, а избыток прочих выбрасываемых постоянно в атмосферу веществ, представляет основную угрозу для пригодности атмосферного воздуха к дыханию.
Что такое озон
Как уже говорилось, газовый состав меняется от одного слоя атмосферы к другому. Кислород вблизи земной поверхности существует в виде двухатомных молекул, а вот в разреженных слоях атмосферы он подвергается диссоциации на атомы под действием солнечной радиации. Таким образом, где то на высоте 40 км содержание атомарного кислорода уже значительно, а на высотах 120-150 км молекулы O2 практически отсутствуют.
На относительно невысоком расстоянии от земной поверхности - около 20-35 км атомарный кислород, будучи достаточно активным, образует с молекулярным кислородом трёхатомные молекулы озона O3. Это высота озонового слоя Земли. Важность его в том, что он защищает поверхность Земли, задерживая ультрафиолетовые лучи. Сами по себе молекулы озона непрозрачны для ультрафиолетовой радиации Солнца и почти полностью поглощают ей. С другой стороны озоновый слой задерживает около пятой части инфракрасного теплового излучения с Земной поверхности, обеспечивая таким образом стабильный тепловой режим для всего живого.
Примечательно, что озоновый слой появился примерно 500-400 млн. лет тому назад и с тех самых пор природное равновесие жизни на Земле поддерживается благодаря ему. Озон в долевом отношении составляет миллионные доли всего воздуха планеты, но этого достаточно для поддержания условий, пригодных для жизни.
Основными «врагами», или разрушителями, озонового слоя являются фреоны, газообразные загрязнители холодильной промышленности, парфюмерного производства, а также ряда других отраслях человеческой деятельности. Основными производителями фреонов являются:
- Европа – 40%.
- США – 35%
- Япония – 10%
- СНГ – 12%.
Влияние фреона вблизи поверхности практически отсутствует, здесь он – инертный газ. Когда же он, испаряясь, достигает озонового слоя, то он становится атомарным газом под воздействием солнечной радиации в виде ультрафиолетового излучения, а затем вступает в реакцию с озоном. Получаемый в ходе этой реакции монооксид хлора и молекулярный кислород не выполняют роли поглотителей ультрафиолетовых лучей и они доходят до Земли.
Люди давно уже знают про существование «озоновых дыр» и пока что сложно сказать что-либо определённое об их происхождении; однако достоверно известно, что, например, в Антарктиде не только вдвое меньше озона в атмосфере, там в сотни раз выше нормы концентрация монооксида хлора.
Что предпринимается
Дебаты по кислороду и, в особенности, по озону продолжаются. На сегодняшний день к достижениям человечества можно отнести подписание ряда протоколов: от Венской конвенции 1985 г. об охране озонового слоя странами-производителями фреона до недавнего Киотского соглашения 2009 года. Это последнее международное соглашение подписано 181 страной мира, на которые приходится свыше 61% всех выбросов в атмосферу в мире.
В отношении шагов по сохранению атмосферы и её озонового слоя в частности можно сказать, что достаточно активно ведётся работа по уменьшению выбросов фреона в атмосферу (утилизация отработанного фреона, замещение фреона сжатым воздухом в аэрозольных упаковках и т.д.). С другой стороны, проводятся многочисленные кампании по сбережению лесов и предотвращению загрязнения мирового океана, которые уже приобрели статус международных.