Kodėl musų atmosferoje tiek daug deguonies? Heinrich D. Holland teorija.
Andrej S
Šiuo metu mūsų atmosfera yra oksidacinė, bei joje kaip aktyviausias cheminis agentas dominuoja deguonys. Tačiau kodėl taip yra? Juk kitose planetose mes nematome tokio pobūdžio, jose atmosferos sudarytos iš redukuojančių dujų (metanas, vandenilis) arba oksiduojančių, tačiau dominuoja jose pagrindę anglies dvideginis. Kaip rodo geologijos duomenys, deguonies prisotinta atmosfera žemėje buvo ne visuomet ir tokias aukštas ar panašias reikšmes įgavo tiktai fanerozojuje (paskutiniai 543 mln. metų). Didelę reikšmę atmosferos oksidacijoje turėjo ir iki šiol turi deguoninės fotosintezės (fotosistema II) atsiradimas pas gram-neigiamas cianobakterijas, kurios dar žinomos kaip melsvadumbliai. Tačiau kokios dar priežastis galėjo nulemti kad žemės atmosferoje tiek daug deguonies? Heinrich D. Holland, žymus žemės sistemos tyrinėtojas iš Harvardo universiteto, tai aiškina planetinio lygio ilgalaikiais geocheminiais pasikeitimas žemės plutoje ir mantijoje.
Pagal šios hipotezės autorių, atmosferos oksidacijos procese svarbų vaidmenį atliko kaip fotosintezės procesas taip ir vulkaninis aktyvumas ir ypač jų išmetamų dujų sudėtis. Pagal geologinius įrodymus, H2/H2O santykis išmetamose vulkaninėse dujose per visą geologinę istoriją nesikeitė, tuo tarpu CO2/H2O ir SO2/H2O santykiai pastoviai didėjo. Autoriaus pasiūlytas šių medžiagų sąveikos ir perdirbimo geologinėje sistemoje modelis, kuris paaiškintu matomus geologinėje istorijoje deguonies padidėjimo įvykius. (Prikabintame grafike, iš apžvelgiamo straipsnio, matomas deguonies koncentracijos pokyčių pobūdis, nuo prieš 3,8 mlrd. metų iki dabar - Deguonies_koncentracijos_evoliucija.jpg. Grafike išskirtos tam tikros stadijos deguonies koncetracijos evoliucijoje žemės atmosferoje (pačioje pirmojoje stadijoje (iki prieš 2,4 mlrd. metų), deguonies koncentracija buvo labai maža 10^(-5) eilės).)
Autorius sudarė paprastą modelį, kodėl žemėje palaipsniui kaupėsi deguonis įtraukdamas į šį procesą ne tik žemės paviršiaus procesus bet ir plokščių tektoniką ir mantijos degazaciją.(prikabintoje schemoje iš straipsnio, matoma principinė schema, kaip vyksta dujų ir kitų lakių medžiagų mainai žemės rutulyje, tarp lakių sferų (hidro-atmo-bio), kosminės erdvės ir žemės gelmių - Lakiuju_medziagu_ciklas_zemeje.jpg. Mažos atominės masės medžiagos, dėka savo kinetinės energijos išlekia į kosmosą ir jų koncentracijos mažėja. Vanduo, bei kitos medžiagos (pvz. organika), dėka plokščių tektonikos, esant joms ant vandenynų plokščių, subdukuojamos į mantiją. Tuo tarpu ugnikalniai tas subdukuotas lakiąsias medžiagas gražina atgal į "lakiąsias" paviršines žemes sferas. Be to dar vyksta ilgalaikė žemės gelmių degazacija, arba bendrai diferenciacija pagal tankį ir cheminį suderinamumą, kurios pasekoje lakios medžiagos palaipsniui vis labiau koncentruojasi paviršinėse sferose.)
Anksčiau buvo pateikta hipotezė kad O2 koncentracija didėjo, dėl to kad H2 koncentracija vidutinėse vulkaninėse dujose mažėjo. Šis chemiškai aktyvus komponentas negalėjo redukuoti kitų išmetamų vulkaninių dujų CO2 ir SO2 iki CH2O ir FeS2 atitinkamai, kaip tai vyko archėjuje. Tuo tarpu susikaupę nauji duomenys apie praeities ugnikalnių dujų sudėti, suteikia kitokį vaizdą. Autoriaus manymu vaizdas buvo kitoks - išmetamų H2/H2O santykis buvo pastovus, tačiau CO2/H2O ir SO2/H2O santykiai padidėjo. Tai paaiškintu kad archėjuje dėl to buvo CO2 ir SO2 trūkumas ir didžioji dalis šių išmetamų dujų buvo redukuojama bei atmosferoje likdavo laisvo vandenilio, kuris bėgant laikui išlėkdavo į kosmosą.
Laikui bėgant, didėjo anglies ir sieros dvidegenių koncentracijos. Koincidentiškai, kaip tik tuo metu atsirado deguoninė fotosintezė, kuriai jau buvo pakankamai "kuro" - CO2 dujų. Jos pasekoje, kaip žinia padidėjo O2 koncentracija bei pradėjo oksiduotis FeS2 nuogulos, kurios tapo sulfų šaltiniais, kurie ir šiuo metu iškrenta lagūnose gipso (CaSO4*2H2O) ir anhidrito (CaSO4) pavidalu (plačiau apie gipso biogeochemines sąsajas galite pasiskaityti G-moksluose, sekant žemiau esančias nuorodas). Anglis ir siera, kitaip nei vanduo, patenka į žemės mantiją kitokiame faziniame būvyje nei vanduo. Anglis, dažniausiai karbonatų arba organinės medžiagos pavidalu o siera - sulfidų ir sulfatų. Kaip teigia autorius pirmykštėje žemėje dar nespėjo susidaryti dideli šių medžiagų klodai, dėka organizmų veiklos (tiesiog tokie organizmai dar daugumoje nebuvo atsiradę). Užtat pirmykščiame, su ugnikalnių dujomis išmetamų medžiagų biudžete, stygo sieros ir anglies oksidų, nes metamorfizmo ir magamatizmo metu vykstančio medžiagos perdirbimo, CO2 ir SO2 produkcijos kiekiai stipriai priklauso nuo jų sudedamųjų medžiagų koncentracijų veikiamose uolienose.
Autorius pasitelkdamas tokį supaprastintą žemės sistemos modelį, sukūrė pirmos eilės kiekybinį modelį paaiškinantį deguonies evoliuciją. Jo teigimų, šiuo metu dar daugelis žemės evoliucijai aprašyti svarbių parametrų nėra žinomi su reikiamu preciziškumu, tačiau galima susidaryti bent jau kokybinį vaizdą kaip turėtu atrodyti globalių geocheminių pokyčių dinamika. Pagal jo rekonstruotą procesą, galime pamatyti kaip turėtu atrodyti H2 pasiūlos ir paklausos (cheminių reakcijų su CO2 ir SO2 atžvilgiu) kreivės milijardų metų bėgyje - H2_paklausa_ir_pasiula.jpg. Tuo metu kai kreivės susikerta, atsiranda teorinė galimybė CO2 kaupimuisi, kuris savo ruožtu yra vienas iš pagrindinių medžiagų fotosintezės procese. Šios kreivės atspindi reaguojančių medžiagų biudžetą žemės sistemoje, esant bendram geologinių procesų lėtėjimui bėgant laikui (dėl radioaktyvių izotopų išsekimo gelmėse) bei aprašomus su sedimentacija susijusius pasikeitimus CO2 ir SO2 įnešime į atmosferą.
Pradžioje atsiradus fotosintezei, deguonis nepradėjo kauptis iškarto, dar reikėjo įveikti azoto fiksacijos problemą, tam kad globali organinės medžiagos produkcijai neateitu galas bei turėjo susidaryti pusiausvyra tarp oksiduotos ir neoksiduotos geležies. O tai užėmė laiko. Vėliau, kažkur prieš 2,5 mlrd. metų metų prasidėjo "Didysis Oksidacijos Įvykis". Tai buvo perėjimo iš vienos (redukcinės) į kitą (oksidacinę) atmosferos būsena. Tuo metu pagal geocheminius duomenys, jau turėjo būti pakankamai aukštas parcialinis deguonies slėgis (kas tolygu jo koncentracijai), Po2 buvo didesnis nei 0,03 atmosferos. Po šio įvykio, sekė taip vadinamasis "nuobodusis milijardas" metų, kuris nepasižymėjo dideliais įvykiais geologinėje istorijoje ir yra charakterizuojamas daug maž pastovia deguonies koncentracija atmosferoje. Tačiau, tokią redokso stazę nenumato pasiūlytas modelis, ir kaip manoma tai galėjo būti susiję su sulfidu oksidacija iki sulfatu ir vėlesniu iškritimu į nuosėdas. Tačiau sekančius po jo 300 paskutinių proterozojaus eono metų, autorius siūlytu pavadinti "Riaumojančiais 300 mln.", nes būtent tuo metu įvyko vieni iš pačių didžiausių kataklizmų žemės istorijoje - suskilo Rodinijos superkontinentas, buvo "Sniego Gniūžtės Žemės" sąlygos, įvyko žymus pasikeitimai sieros cikle, bei staigiai padidėjo deguonies koncentracija atmosferoje, kas leido atsirasti aukštą metabolizmo lygį turintiems gyvūnams. Kaip manoma, tuo metu padidėjusios jūros vandenyje SO4 jonų koncentracijos, sąlygojo aktyvias chemines reakcijas su vidurio vandenynų kalnagūbrių bazaltais, ko pasekoje padidėjo sieros oksidų subdukcijos intensyvumas ir tuo pačių vulkaninio išmetimo greičiai, kas paspartintu H2 surišimą, bei padidintu laisvo CO2 koncentracijas atmosferoje. Deguonies koncentracijos atmosferoje nors ir kito fanerozojaus metu, tačiau toje pačioje dydžių eilėje, ir kaip manoma yra tampriai susijusios su sieros ir anglies oksidų ciklais žemės sistemoje.
Kaip teigia autorius, jo pateiktas modelis gerai aprašo duomonys ir žinomus faktus apie žemės geocheminės sistemos ir klimato kitimo parametrus. Aišku jis turi spragų ir egzistuoja kai kurie nenumatyti dalykai, kaip pvz. "nuobodusis milijardas" arba "riaumojantis 300 mln.", bei nežinoma kas nulėmė pradinę žemės išorinių lakiųjų sferų geochemija. Tas turėtu būti išsiaiškinta ateityje.
G-moksluose apie gyvybės evoliucijos poveikį atmosferai:
MIT World [mokslininkų paskaitų video-archyvas]
Futuroklimatologija: Atmosferos slėgio pokyčiai, kaip galimas "gelbėjimosi ratas" ateities biosferoje
G-moksluose apie atmosferos sudėties pokyčių poveikį gyvybės evoliucijai:
Kas nulemia maksimalų vabzdžių dydį?
Paleontologinis Blokbasteris II - organizmų maksimalaus dydžio evoliucija per paskutinius 3,5 mlrd. metų
Nuoroda:
Heinrich D. Holland. Why the atmosphere became oxygenated: A proposal. Geochimica et Cosmochimica Acta Volume 73, Issue 18, 15 September 2009, Pages 5241-5255 - Straipsnis "Geochimica et Cosmochimica Acta" moksliniame žurnale apie deguonies, kaip atmosferos sudedamosios dalies žemėje evoliuciją.
--
AS
