Жерде оттегі қашан пайда болды?

Біздің планета қазіргі түсінігіміздегі тіршілікке жарамды болып қалыптасуға дейін ұзақ эволюция жолынан өтті. Миллиардтаған жылдар бұрын атмосфера бүгінгіден мүлдем басқаша көрініс берді, онда бір де бір қазіргі ағза тыныс ала алмас еді. Еркін оттегінің пайда болуы Жер тарихындағы ең ұлы бетбұрыс сәттердің бірі болды. Бұл үдеріс ауа мен мұхиттардың химиялық құрамын түбегейлі өзгертіп, тіршіліктің күрделі формаларына жол ашты. Атмосфераның өмірлік маңызды газбен қанығу тарихы жүздеген миллион жылдарға созылды және бірнеше драмалық кезеңдерді қамтыды.

Планетаның бастапқы атмосферасы

Ерте кездегі Жер қазіргі тіршілікпен үйлесімсіз жағдайларда өмір сүрді. Жас планетаның атмосферасы вулкандық белсенділік пен ғарыштық денелердің бомбалауының әсерінен қалыптасты.

Бастапқы ауа қабығының құрамы келесі компоненттерді қамтыды:

• айтарлықтай концентрациядағы метан;
• улы орта туғызған аммиак;
• атқылаулар кезінде бөлінген су буы;
• атмосферада үстемдік еткен көмірқышқыл газы;
• күкіртсутек және басқа күкірт қосылыстары.

Еркін оттегі іс жүзінде болмады — ол темір, күкірт және жер қыртысының өзге элементтерімен лезде реакцияға түсті. Кез келген пайда болған О₂ бірден байланысып, тау жыныстары мен мұхиттарда ерітілген заттарды тотықтырды. Осындай қалпына келтіруші орта біздің планетамыздың бірінші миллиард жыл бойы тіршілік етуінде сақталды. Тек ерекше организмдердің пайда болуы ғана осы тепе-теңдікті өзгертіп, ауаны өмірлік маңызды элементпен байыту үдерісін іске қоса алды.

Ұлы тотығу: цианобактериялардың революциясы

Шамамен 2,4 миллиард жыл бұрын Жердің келбетін түбегейлі өзгерткен оқиға болды. Цианобактериялар — ежелгі фотосинтездейтін микроағзалар — өз тіршілік әрекетінің қосалқы өнімі ретінде молекулалық оттегіді жаппай өндіре бастады.

Ұлы тотығудың негізгі кезеңдері келесідей дамыды:

1. Бастапқыда барлық өндірілген О₂ мұхиттарда еріген темірді тотықтыруға жұмсалды. Реакция еритін қосылыстардың түзілуіне әкеліп, олар түбіне шөгіп, темір кендерінің қуатты қорларын қалыптастырды. Бұл жолақты темірлі формациялар бүгінде ежелгі үдерістің басты куәсі және бір мезгілде өндірістік шикізаттың маңыздысы көзі болып табылады. Мұхит темірін байлау кезеңі жүздеген миллион жылдар бойы жалғасты.
2. Темір резервуарлары сарқылғаннан кейін оттегі тікелей теңіз суында жинақтала бастады. Газдың концентрациясы біртіндеп өсіп, атмосфераға диффузияға жеткілікті деңгейлерге жетті. Мұхиттар оттегісіз ортадан О₂ бай резервуарларға айналды, дегенмен терең қабаттар әлі ұзақ уақыт анаэробты күйде қалды. Сулардың химиялық құрамының өзгеруі жаңа экологиялық ништарды туғызды.
3. Атмосфералық О₂ метанмен өзара әрекеттесіп, бұл парникті газды бұзды. Метан концентрациясының күрт төмендеуі жаһандық суыққа және планета тарихындағы бірінші «қар шарына» — бүкіл бетті қамтыған мұздануға әкелді. Парадоксалды түрде, оттегінің пайда болуы өзін туғызған тіршіліктің өзін жою қаупін төндірді. Қалпына келтіру ондаған миллион жылдарды алды.
4. Біртіндеп оттегінің өндірілуі мен тұтынылуы арасында жаңа тепе-теңдік орнады. Атмосферадағы О₂ мөлшері қазіргі деңгейдің шамамен 1-2% жетіп, бұл озон қабатының қалыптасуына жеткілікті болды. Қорғаныш экран қатты ультракүлгін сәулелену бөгеттей бастады, организмдердің таяз су аймақтарын игеруін мүмкін етті.

Ұлы тотығу 2,4-тен 2,0 миллиард жылға дейінгі кезеңді алды және тарихтағы ең ірі экологиялық апат саналады. Сол сәтке дейін үстемдік еткен анаэробты организмдер үшін О₂ агрессивті у болып, ежелгі формалардың көпшілігін жойды. Алайда тіршілікте қалған түрлер қуатты энергия көзін алды — аэробты тыныс алу оттегісіз метаболизмнен 15-18 есе тиімді болып шықты.

Концентрацияның екінші секірісі

Ұлы тотығудан кейін О₂ мөлшері салыстырмалы төмен деңгейде тұрақталды және бір миллиардтан астам жыл бойы осындай қалды. Келесі драмалық көтерілу неопротерозой дәуірінде, шамамен 800-540 миллион жыл бұрын болды.

Оттегі концентрациясының екінші рет өсуіне ықпал еткен факторлар:

• фотосинтез көлемін арттырған көпжасушалы балдырлардың таралуы;
• Родиния суперконтинентінің қалыптасуы және оның кейінгі ыдырауы, геологиялық үдерістерді белсендірген;
• тау жыныстарының қарқынды ыдырауы, көміртегін байлап, О₂ босатқан;
• биологиялық айналымды ынталандырған алғашқы көпжасушалы жануарлардың эволюциясы;
• су массаларының араласуын жақсартқан мұхиттық циркуляцияның өзгеруі.

Кембрий кезеңінің басына қарай оттегі мөлшері қазіргі мәннің 10-15% дейін өсті. Бұл атақты «кембрий жарылысына» — қазіргі типтердің көпшілігіне бастау берген жануарлар формаларының жедел әртараптануына жеткілікті болды. Организмдер мөлшерінің өсуі тіндерге О₂ жеткізудің тиімділігін талап етіп, қан тамырлары мен тыныс алу жүйелерінің дамуын ынталандырды. Палеозойда концентрация өсе берді, тас көмір кезеңінде максимумға — 35% дейін жетіп, сол дәуірдің алып жәндіктерінің гигантизмін түсіндіреді.

Қазіргі балансты орнату

Атмосферадағы қазіргі 21% оттегіге дейінгі жол біркелкі болмады және көтерілу де, төмендеу де кезеңдерін қамтыды. О₂ концентрациясы фотосинтез бен тотығу үдерістері — тыныс алу, органика ыдырауы, жыныстар ыдырауы арасындағы тепе-теңдікпен анықталады.

Қазіргі дәуірдегі оттегі мөлшерінің негізгі реттеушілері:

1. Құрлықтың өсімдік жамылғысы О₂ негізгі бөлігін өндіреді, ал қоңыржай және тропиктік белдеулердің ормандары максималды үлес қосады. Бір ірі ағаш жылына екі адамның тыныс алуына жеткілікті газ мөлшерін генерациялайды. Алайда түскен жапырақтар мен өлі ағаштың ыдырауы кезінде шамамен сондай көлем кері тұтынылады. Ормандардың ұзақ мерзімді үлесі органикалық көміртегінің бір бөлігін топырақта және торфтықтарда көмілуімен байланысты.
2. Мұхиттық фитопланктон әртүрлі бағалаулар бойынша оттегінің жаһандық өндірісінің 50-ден 80% қамтамасыз етеді. Микроскопиялық балдырлар теңіздердің беткі қабаттарында фотосинтез жүргізіп, СО₂ мен суды органикалық затқа айналдырады. Өлген организмдердің бір бөлігі тереңдікке түсіп, көміртегін ала кетеді және О₂ жинақталуына мүмкіндік береді. Планктонның өнімділігі температураға, қоректік элементтердің қолжетімділігіне және жарықтануға тәуелді.
3. Шөгінді жыныстарда органиканы көму көміртегіді айналымнан миллиондаған жылдарға алып тастайды. Көмір қабаттарының, мұнай кен орындарының және газ қорларының қалыптасуы ежелгі фотосинтездің консервациясын білдіреді. Органикалық зат тотықпағанда, тиісті О₂ мөлшері атмосферада еркін қалады. Адамзаттың қазбалы отынды өндіруі мен жағуы іс жүзінде осы ежелгі оттегі резервін жұмсайды.

Қазіргі О₂ деңгейінің тұрақтылығы кері байланыстардың күрделі жүйесімен қолдау табады. Концентрацияның жоғарылауы табиғи өрттердің жиілігін арттырады, олар газдың артығын тұтынып, көміртегіні атмосфераға қайтарады. Төмендеу тотығу үдерістерін баяулатады және фотосинтезге балансты қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Адам қызметі әзірге жалпы О₂ мөлшеріне елеусіз әсер етеді — тіпті барлық қазбалы қорларды толық жағу оның концентрациясын үлестің бөліктерінде ғана төмендетер еді.

Жер атмосферасының оттегімен байыту тарихы миллиардтаған жылдар бойы геологиялық, химиялық және биологиялық үдерістердің тығыз өзара байланысын көрсетеді. Тірі организмдердің қызметінсіз біздің планета оттегісіз, жануарлар мен адамның тіршілігіне жарамсыз болып қалар еді. Ауаның О₂ қанығуының екі ұлы секірісі Жердің келбетін мәңгілікке өзгертіп, оны қалпына келтіруші әлемнен тотықтырғышқа айналдырды және тіршіліктің бұрын-соңды болмаған алуан түрлілігіне мүмкіндіктер ашты. Қол жеткізілген тепе-теңдікті сақтау биосферада үздіксіз фотосинтез бен элементтердің айналымын қамтамасыз ететін экожүйелерді сақтауды талап етеді.