Биогеохимический цикл кислорода

Современная обстановка, при которой содержание кислорода в атмосфере достигает 20%, сложилась постепенно. Кислород активно реагирует с другими элементами, а потому из недр Земли в свободном виде не поступает.

До развития жизни на планете единственным его источником могла быть диссоциация воды излучением Солнца, но вероятность этого невелика. В восстановительной обстановке раннего архея кислород быстро связывался с недоокисленными газами (метан, сероводород и др.), и его концентрация не превышала точки Юрии. Это критическое значение равно 0,1% концентрации кислорода в современной атмосфере (КСА).

Первые признаки увеличения концентрации кислорода появляются на рубеже архея и протерозоя. Весьма вероятно, что уже тогда существовали цианобактериальные маты, в строении которых участвовали бактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Так как цикл углерода не был сбалансирован, в биосферу начал поступать кислород. Остатки строматолитов – древних пород, в формировании которых могли участвовать цианобактериальные маты, имеют возраст около 3,5 млрд лет. Они найдены в Западной Австралии.

Долгое время концентрация кислорода не превышала 1% КСА, так называемой, точки Пастера – при концентрации ниже этого уровня возможна только анаэробная жизнь. Медленный рост объясняется тем, что первоначально мощность биосферы была невелика, а вулканизм более активен, и весь кислород шел на окисление газов (угарный газ, аммиак, метан) и других веществ (огромные массы растворимого двухвалентного железа окислялись и переходили в нерастворимую трехвалентную форму).

По мере затухания вулканизма расход кислорода на окисление уменьшается. Появляются зоны, в которых его концентрация достигает точки Пастера, распространяется аэробная жизнь и растет поступление кислорода в биосферу. Наличие организмов, способных переходить от анаэробного к аэробному питанию и обратно, указывает на возможные многократные колебания концентраций вблизи уровня Пастера. Это могло быть связано как с деятельностью биоты, так и с геологическими процессами. Повышение концентрации кислорода приводит к бурному росту аэробов (не только фотосинтетиков), и уровень кислорода падает. Другая причина – повышенный расход кислорода на окисление газов, поступающих из недр Земли в период активизации рифтогенеза. Тем не менее, по мере увеличения производительности биосферы поступление кислорода в атмосферу и гидросферу растет.

Существование окислительной обстановки подтверждают первые сульфатные осадки – гипсы CaSO₄·2H₂O и ангидриты CaSO₄ в породах возрастом около 1 млрд лет.

Следующим критическим значением для биосферы является точка Беркера‑Маршалла [14], равная 10% КСА. Она соответствует условиям, при которых в атмосфере образуется озоновый слой, закрывающий окно длин волн 184,6-342,5 нм (УКВ диапазон) и жизнь распространяется на суше. С появлением растений в фанерозое поступление кислорода в биосферу быстро увеличивается.

Облик континентальной биосферы, в которой циклы биогенов сбалансированы, сложился не сразу. В отдельные эпохи (каменноугольный период) наблюдается интенсивный сток керогена (органического вещества), а это ускоряло формирование современной кислородной обстановки.

На рис. 17 приведены [15] характеристики главных резервуаров и потоков кислорода. За последние 1,6 млрд лет в атмосферу поступило около 314∙10²⁰ г свободного кислорода. Основная его масса была израсходована на окисление:

· серы, рассеянной в осадочных толщах в виде пирита, около 100∙10²⁰ г;

· сероводорода океанов в сульфаты, примерно 25∙10²⁰ г;

· железа в осадочных породах, ориентировочно 40∙10²⁰ г.

Если исходить из массы О₂ в современной атмосфере (~12∙10²⁰ г), то общий расход кислорода достигал 180∙10²⁰ г. Это на 43 % меньше его прихода (порядка 314∙10²⁰ г) за счет захоронения Сорг. Таким образом, еще не учтена масса кислорода равная 134∙10²⁰ г. Большая часть этого кислорода участвовала в окислении СО и других недоокисленных газов, поступающих в атмосферу из глубин Земли (CH₄, H₂и др.). Меньшая часть – в окислении поливалентных элементов пород континентов и дна океанов.

Рис. 14. Баланс поступления О₂ в атмосферу и

его расхода на окислительные процессы за неогей (1,6 млрд лет)