Как появился кислород. Как растения вырабатывают кислород
Пожалуй, сейчас даже дети знают, что химическая формула воды - H 2 O. Однако это теория, а на деле в воде растворено огромное количество веществ как органического, так и неорганического происхождения. Чистая вода, как известно, не имеет вкуса и запаха, но кто угодно может убедиться в том, что в подавляющем большинстве случаев это не так. В питьевой воде, например, содержится некоторое количество минеральных солей, что придает ей солоноватый привкус. В той или иной степени в ней содержится все то, с чем она контактирует. Точный зависит от места ее забора, ведь в разных местах она контактирует с разными веществами. Кое-где химики найдут в жидкости тяжелые металлы, где-то - различные
Как же так получается?
Вода является универсальным растворителем. Дистилированная вода считается наиболее чистым в химическом смысле веществом, однако через некоторое время она утрачивает свое первоначальное состояние. И вот почему: вода является настолько хорошим растворителем, что со временем в нее попадают молекулы различных веществ из воздуха. В природе же это происходит еще и за счет жизнедеятельности различных организмов, живущих в водной среде.
Газы в воде
Наливая воду в стакан, можно увидеть пузырьки газа, которые будут находиться на стенках сосуда. Наряду с солями и другими веществами вода растворяет в себе и газы. Прежде всего из воздуха, а также кислород, а в некоторых случаях еще метан и сероводород. Причем холодная вода растворяет газы гораздо лучше, чем теплая, так что чем ниже температура, тем выше концентрация газов. И наоборот - с ростом температуры растворимость падает.
Источники растворенных в воде газов
Но откуда вообще все эти вещества берутся в воде? Азот, как правило, растворяется в процессе взаимодействия с атмосферой, метан - в результате контакта с породами и разложения донного ила, а сероводород образуется как продукт гниения органических остатков. Как правило, сероводород содержится в глубинных водных слоях и не поднимается к поверхности. При его высокой концентрации жизнь невозможна, так, например, в Черном море на глубинах более 150-200 метров из-за высокой насыщенности вод сероводором почти нет живых организмов, кроме некоторых бактерий.
Кислород также всегда содержится в воде. Он является универсальным окислителем, поэтому частично разлагает сероводород, снижая его концентрацию. Но откуда берется кислород в воде? О нем разговор пойдет особый.
Кислород
Практически все живые организмы нуждаются в кислороде. Люди дышат вохдухом, который представляет собой смесь газов, немалую часть которой составляет именно он.
Обитатели водной среды также нуждаются в этом веществе, так что концентрация кислорода в воде - это очень важный показатель. Обычно он составляет до 14 мг/л, если речь идет о природных водах, а иногда даже больше. В той же жидкости, которая течет из-под крана, кислорода содержится гораздо меньше, и это легко объяснить. Водопроводная вода после водозабора проходит через несколько этапов очистки, а растворенный кислород - крайне неустойчивое соединение. В результате газообмена с воздушной средой большая его часть просто улетучивается. Так откуда берется кислород в воде, если не из воздуха?
На самом деле это не совсем правда, из воздуха он тоже берется, но его доля, растворенная в результате контакта с атмосферой, крайне мала. Для того чтобы взаимодействие кислорода с водой было достаточно эффективным, необходимы особые условия: низкая температура, высокое давление и относительно низкая минерализация. Они соблюдаются далеко не всегда, и жизнь вряд ли бы существовала в нынешнем виде, если бы единственным способом образования этого газа в водной среде было взаимодействие с атмосферой. К счастью, есть еще два источника, откуда берется кислород в воде. Во-первых, растворенные молекулы газа в большом количестве содержатся в снеговых и дождевых водах, а во-вторых - и это основной источник - в результате фотосинтеза, осуществляемого водной растительностью и фитопланктоном.
Кстати, несмотря на то, что содержит кислород, извлечь его оттуда живые организмы, конечно, не в состоянии. Поэтому им остается довольствоваться именно растворенной долей.
О значении водорослей
Мало кто в обычной жизни задумывается, чем мы дышим и почему именно такой, какой он есть. Практически все знают, что большинство живых организмов, дышащих воздухом, приспособлено именно к такой смеси. Но если речь идет о наземно-воздушной среде, то вопросов не возникает. А откуда в воде кислород? Как и на земле, там много растений, которые с помощью процесса, который называют фотосинтезом, потребляя свет и углекислый газ, выделяют O 2 .
Если же быть точнее, в последние десятилетия по тем или иным причинам человечество уничтожило огромную часть лесов. Но речи о глобальном кризисе пока нет, хотя население планеты постоянно растет, и потребление кислорода
огромно. И огромное значение в этом вопросе имеют водоросли, которые обитают в Мировом океане, большей частью именно за их счет происходит насыщение воды кислородом. Некоторые их виды люди и морские обитатели употребляют в пищу, но их количество остается достаточным для эффективного фотосинтезирования. Вот откуда берется кислород в воде, а значит, благодаря газообмену с атмосферой, и в воздухе. Именно фотосинтез водорослей - его основной источник. Кстати, именно за счет процессов, происходящих в растениях, был накоплен первичный кислород в атмосфере, а сейчас происходит только поддержание ее неизменного состава.
Роль растворенного кислорода (РК)
Несмотря на то что дыхательная система водных обитателей устроена иначе, чем у жителей наземно-воздушной среды, они нуждаются все в тех же веществах. Прежде всего речь идет о кислороде, который играет важную роль в жизнедеятельности подавляющего большинства организмов. И если мы извлекаем его из атмосферы, где его доля более или менее стабильна и составляет около 21%, то жители рек, морей и океанов сильно зависят от того, сколько кислорода в воде содержится в месте их обитания. Помимо рыб, кислород нужен и растениям. Однако его продукция обычно выше, чем уровень потребления, так что это не должно вызывать беспокойства.
Нормальные показатели
Из-за своей значительной роли в нормальном функционировании экосистем, уровень РК часто подвергается контролю со стороны биологов и экологов. Ведь в природе все связано, нарушение газового баланса в одном водоеме может вызвать проблемы и в соседних, если они связаны. Как правило, замеры проводятся до полудня, в этот период концентрация газа в поверхностных водах становится максимальной и составляет до 14 мг/л. Этот показатель подвержен серьезным суточным и сезонным колебаниям, но он не должен опускаться ниже 4 мг/л.
Уменьшение концентрации до 2 мг/л и менее вызывает массовую гибель обитателей гидросферы. Фактически - от удушья. Постепенное снижение показателя может говорить о загрязнении водоема и также может со временем закончиться гибелью водных жителей.
РК в искусственно созданных экосистемах
Важное значение хорошая аэрация имеет, например, в аквариумистике. Именно поэтому необходимо не только устанавливать специальные насосы, закачивающие воздух в воду и насыщающие его кислородом, но и, например, при необходимости высаживать на дне различные водоросли. Конечно, тем, кто имеет подобное хобби, в первую очередь интересна эстетика экосистемы, однако нельзя забывать о ее устойчивости и некой долговечности.
Если же речь идет о производстве жемчуга и других специфических отраслях подобного типа, то помимо различных мер, направленных на сохранение достаточной концентрации растворенного кислорода в воде, необходимо регулярно проводить измерение этого показателя с помощью специальных проб. При их заборе крайне важно, чтобы не произошло контакта с воздухом, это может исказить результаты анализа.
Всем известно, откуда берется кислород, но многие не знают истории появления этого элемента на планете. Это очень интересно, и, конечно, в двух словах невозможно описать этот сложный процесс, но я попробую рассказать о главных этапах.
Откуда на Земле появился кислород
Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо понять, как формировалась Вселенная. Итак, первыми элементами в ее первоначальном составе были гелий и водород, которые образовали и зажгли звезды. По мере выгорания синтезировались иные элементы, но вот соотношение водорода к кислороду составляло 1 к 1000. То есть лишь малая часть их молекул вступила в реакцию, создав воду. Она превратилась в лед, который до сих пор содержится в кометах. На момент формирования Земли кислорода было более чем достаточно, однако, он был связан в минеральных соединениях и с водородом: в виде твердой и газообразной воды.
Выходит, что кислород присутствовал на планете еще задолго до первых растений, а уже они путем химических реакций начали высвобождать его в атмосферу. Поскольку молекулы кислорода весьма активно вступают в химические реакции, растения - ключевое условие для поддержания необходимого баланса в атмосфере.
Кислород: история элемента в эволюции
Первые организмы питались тем, что присутствовало в «первичном бульоне», то есть простейшей органикой. Побочным продуктом был углекислый газ, который накапливался в атмосфере. Но вскоре запасы органики истощились, и организмы эволюционировали, став анаэробными - способными самостоятельно синтезировать питательные вещества из CO2 и водорода, выделяя метан. Далее было следующее:
- водород давал энергию для жизненных процессов, но запасы его стали истощаться;
- возникла новая форма жизни с использованием фотосинтеза, где в качестве побочного элемента стал кислород;
- он стал накапливаться в атмосфере.
Биологи утверждают, что кислород тогда был настоящим ядом для всего живого, а потому возникла необходимость в новых формах, которые стали применять его для поддержания жизни - возникло кислородное дыхание.
Земля
Всего лишь 2,3 миллиарда лет назад воздух, окружавший Землю, совершенно не содержал кислорода. Для тогдашних примитивных форм жизни это обстоятельство было сущим подарком.
Одноклеточные бактерии, обитавшие в первобытном океане, не нуждались в кислороде для поддержания своей жизнедеятельности. Затем что – то произошло.
Как на Земле появился кислород?
Ученые считают, что по мере развития некоторые бактерии «научились» извлекать из воды водород. Известно, что вода - это соединение водорода и кислорода, поэтому побочным продуктом реакции извлечения водорода было образование кислорода, выделение его в воду, а за тем и в атмосферу.
Некоторые организмы с течением времени приспособились жить в атмосфере с новым газом. Организм нашел способ обуздывать разрушительную энергию кислорода и использовать ее для управляемого распада питательных веществ, в процессе которого выделяется энергия, используемая организмом для поддержания своей жизнедеятельности.
Такой способ применения кислорода называется дыханием, которым мы пользуемся ежедневно, и посей день. Дыхание - это способ отвести от себя кислородную угрозу: оно сделало возможным развитие на Земле более крупных организмов - многоклеточных, имеющих уже сложное строение. В конце концов, именно благодаря появлению дыхания эволюция породила человека.
Материалы по теме:
Почему наклонена ось земли?
Откуда появился кислород на Земле?
За миллионы прошедших лет количество кислорода на земле увеличилось с 0,2 процента до нынешнего 21 процента атмосферы. Но в увеличении кислорода в воздухе атмосферы виноваты не только бактерии океанов. Ученые считают, что другим источником кислорода были сталкивающиеся континенты. По их мнению, при столкновении, а затем при последующем расхождении континентов в атмосферу выделялись большие количества кислорода.
Каким образом? В результате столкновений и расхождений континентов на морское дно опускались огромные осадочные породы, увлекавшие за собой большое количество органических веществ. Если бы этого не происходило, то кислорода было бы больше потрачено на переваривание и окисление этих органических веществ. Поскольку они стали недоступны окислению, то происходила своеобразная экономия кислорода, и его объем в атмосфере становился больше.
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.
Все мы знаем со школы, что дышим кислородом. Или воздухом, содержащим кислород. С тех же времен нам известно, что кислород вырабатывают растения, а мы выделяем углекислый газ. Так оно и есть, но влияет ли это сколько ни - будь на атмосферу планеты?
Или мы просто незначительно переводим газосодержащий воздух из одного состояния в другое, который смешивается с воздушным океаном, восстанавливая первоначальный баланс воздушной смеси, свойственный атмосфере земли на настоящий момент, ничего не изменив в общем окружающем воздушном пространстве.
Кислород и вода это единая водновоздушная система на данном этапе эволюции нашей планеты, воздействовать на которую мы не в состоянии.
В далеком прошлом были гигантские пожары, когда сгорали леса целых континентов. Горели вырвавшийся из недр газ, бьющая фонтаном нефть. Выгорали торфяники, угольные пласты. При этом в большом количестве на горение потреблялся кислород.
Всё, что мы, люди, сжигаем за всю нашу сознательную историю – это ничто по сравнению с континентальным пожаром! По сравнению с горящим нефтяным морем, которое горит третий год! И оно еще будет гореть два года, пока полностью не выгорит. А что с кислородом? Он есть в воздухе, и поддерживает горение нефтяного моря. Кроме того, при наличии воды на планете, при понижении уровня кислорода запускается процесс активного его восстановления до исходного уровня.
Гниение растений
Деревья вырабатывают кислород, но они его - же и потребляют при дыхании и гниении опавшей листвы. Какое – то количество кислорода дерево вырабатывает за свою жизнь. Но после смерти, на гниение ствола дерева уйдет кислорода столько же, если не больше, чем оно выработало за свой век.
Предположим, что кислород вырабатывают растения.
У нас на земном шаре растут леса в Северной и Южной Америке, в Сибири в Африке, и в Индии. То - есть локально, не повсеместно. Нет деревьев в горах, в пустынях, в степях, в заснеженных Северном и Южном полюсах. Если посмотреть на карту, то получается несколько маленьких участков суши, где есть леса, которые как бы являются «легкими» нашей планеты. Допустим.
Мы знаем, что существует круговорот воды в природе. Тут вопросов нет. Мы знаем, что существуют теплые и холодные воздушные потоки. Существуют теплые и холодные течения в океанах. Все они существенно влияют на климат планеты.
А вот о круговороте кислорода в природе, почему – то никто не говорит. А собственно почему? Ведь там, где есть леса – кислорода должно быть больше. А там, где лесов нет, должна быть нехватка кислорода. Логически рассуждая, должны быть воздушные «кислородные» коридоры, по которым он вместе с ветром перемещался бы по планете. И должны быть участки, куда кислород не доходит. Но нам никогда не объявляли штормовое предупреждение, скажем, о 10% снижении уровня кислорода в пустыне Гоби, из - за усилившегося восточного ветра. Пониженный процент кислорода бывает только на возвышенностях, чем выше гора – тем меньше кислорода.
Еще один удивительный момент. Зима. Вся Северная Америка и Евразия под снегом. В октябре все растения засыпают и только в апреле распускаются первые листочки. Все хвойные деревья тоже спят, и никакого кислорода не выделяют целых 6 месяцев! А мы этого не замечаем! Даже наоборот, говорим о какой – то зимней свежести! Ну, какая свежесть без кислорода!
Середина Тихого океана - до ближайшего леса 5 тысяч километров, а как легко дышится!
Напрашивается вывод: Воздушные потоки на планете перемещают огромное количество холодного и теплого воздуха, что изменяет климат на одной и той – же широте на несколько десятков градусов! А вот уровень содержания кислорода в воздухе остается неизменным на всей планете и составляет 21%. А так – как вырабатывается кислород лесами, которые размещаются на 15-20% площади земного шара, то такое равномерное распространение кислорода просто невозможно. Теория вырабатывания растениями кислорода для всей атмосферы Земли - несостоятельна.
Так откуда же берется кислород?
Предыдущая Метагалактика, сжимаясь, поглощает всю материю, в том числе и воду, и все газы вместе с кислородом. Рой Черных дыр сливается в единую Черную дыру. Происходит «утрамбовывание» материи собственной массой, или «Уничтожение Материи».
Вся материя Метагалактики собралась в единый Шар, так называемый Проматеринский Шар, с самой гигантской плотностью материи и с самым наивысшим уровнем сжатия. (См. статью «Происхождение нашей Вселенной»)
Запустился процесс «Возникновения Материи» или новой, нашей Метагалактики.
Эволюционная цепочка Возникающей Материи:
Проматеринский Шар – взрыв – Безымянный Шар – взрыв – Шар Квазар – взрыв – Шар Галактика – взрыв – Шар Звезда – выброс – Шар Планета – выброс – Шар Планета спутник.
Ядро нашей планеты является частичкой Проматеринского Шара. Только в процессе эволюции Новой (нашей) Метагалактики ядро Земли имеет самую низкую плотность материи и самый низкий уровень сжатия, по отношению к Проматеринскому Шару.
Таким образом, ядро Земли содержит в себе все элементы предыдущей Метагалактики.
Итак, после Марса Солнце в очередной раз выбросило часть своего ядра. Ядро вспыхнуло ярким светом, и по удлиненной эллиптической орбите стало двигаться вокруг Солнца, облучая сверх мощной радиацией все планеты Солнечной системы.
Так появилась новая звезда Земля.
Вскоре эта звезда погасла, превратившись в планету, и на ней начались процессы остывания.
Излияние магмы, первая затвердевшая кора, и огромное выделение газов.
А так как ядро содержит в себе все элементы предыдущей Метагалактики, в составе вырывающихся газов была и вода. Первоначальная вода была сверхтяжелая, со сверхтяжелым кислородом, такая вода обладала высокой радиоактивностью, но в процессе эволюции она стала такой, какой мы её знаем. В газе современного вулкана так же присутствует вода, только значительно в меньшем количестве.
Ну, а там где вода,- там и свободный кислород. Где из воды выделяется кислород? В океанах – возможно. Но судя по равномерному распределению кислорода в атмосфере земли, кислород выделяется из водяного пара в верхних слоях атмосферы, под воздействием солнечных лучей, и выпадает равномерно на всю планету, независимо от того экватор это или полюс.
