Концентрации кислорода в океане раскрывает геологическую историю Земли – Наука – Коммерсантъ

Концентрации кислорода в океане раскрывает геологическую историю Земли – Наука – Коммерсантъ Кислород

Загадка ископаемых стероидов

Около десяти лет назад в результате подводного бурения геологи обнаружили в
осадочных породах стероиды – к ним относятся необходимые компоненты
клеточных мембран, например, холестерин. Эти породы и содержавшиеся в них
стероиды датировались периодом, гораздо более ранним, по сравнению с временем
Кислородной катастрофы.

А для синтеза одной молекулы стероида требуется не
менее десяти молекул кислорода. Но откуда в океане в то время мог взяться
кислород? Из-за этого парадокса в научных кругах разгорелись жаркие споры –
ведь находка означала, что в океане задолго до Кислородной катастрофы кислород
уже присутствовал.

Кислород

По характеру распределения и содержанию кислорода вся толща вод океана может быть разделена на три зоны, весьма неоднородные по мощности: верхнюю, постоянно сообщающуюся с атмосферой и содержанием кислорода около 100%, промежуточную (слой кислородного минимума) и глубинную, где содержание кислорода вновь увеличивается вследствие и одновременного действия двух факторов (замедление процессов биологического, биохимического и химического потребления кислорода и постоянное пополнение этой зоны свежими достаточно насыщенными кислородом водами арктического и антарктического происхождения). Следует помнить, что растворимость кислорода в воде обратно пропорционально увеличению температуры, гидростатического давления и солености./3/

За исключением верхнего 50-100 метрового слоя, где в вегетационный период идет фотосинтез — основной процесс, при котором в океан поступает кислород, вся толща вод океана в той или иной степени недонасыщена кислородом./2/

Как показывает анализ карт 232-239 /1/, табл. 5 и рис. 10, распределение гидрохимических характеристик в водах данной акватории подчинено общим для всего Мирового океана закономерностям. В частности, содержание растворенного кислорода уменьшается с севера на юг и от поверхности вглубь толщи вод. В соответствии с этим на рассматриваемой части поверхности Атлантического океана, как показывают карты 232А-Б /1/, содержание растворенного кислорода в целом убывает в широтном направлении — с севера на юг — от 0,6-0,55 до 0,5 мг-ат.О2/л. Вследствие зависимости количества кислорода в воде от интенсивности деятельности фотосинтезирующих организмов, а также в результате влияния температуры на растворимость газов, содержание кислорода в воде подвержено сезонным колебаниям: в теплое время года (январь — март) количество растворенного в воде кислорода несколько уменьшается по сравнению с летними и осенними месяцами (июль — сентябрь) — в среднем на 0,06 мг-ат.О2/л .

Благодаря процессам перемешивания вод, кислород постоянно распространяется от поверхности на все глубины океана. Но различная интенсивность процессов перемешивания и потребления кислорода в разных слоях толщи воды обусловливает значительную неравномерность его вертикального распределения. Как видно из рис. 10, в верхнем слое до горизонта 0-50 м отмечается максимальное содержание кислорода (более 0,55-0,57 мг-ат.О2/л). От поверхности к 200 м содержание кислорода уменьшается за счет биохимического потребления. Развитие промежуточного слоя вод с кислородным минимумом является характерной чертой вертикального распределения растворенного кислорода в толще океана. Но в пределах рассматриваемой акватории, по данным карты 234Б /1/, кислородный минимум отсутствует. Лишь на глубинах в 500 и 2000 м наблюдаются понижение значений растворенного кислорода 0,475 и 0,450 мг-ат.О2/л соответственно.

Распределение кислорода на глубине 1000 м характеризует среднюю часть промежуточной структурной зоны. Здесь наблюдается восстановление содержания кислорода до отметки характерной для поверхностных вод. Это обусловлено, в том числе, тем, что глубинная зона здесь состоит из погрузившихся ко дну вод арктического происхождения, обогащенных кислородом.

Таблица №5. Содержание растворенного кислорода, мг-ат.О2/л, и растворенного фосфора, мг-ат.Р/л, в репрезентативных точках (среднегодовое).

Глубина, м

О2 раств., мг-ат.О2

РО4-Р, мг-ат.Р/л

Открытая часть акватории

Северное

море

Открытая часть акватории

Северное

море

0

0,550

0,570

0,417

0,375

50

0,525

0,550

0,375

0,500

100*

0,500

0,530

0,500

0,500

200

0,500

0,530

0,750

0,500

500

0,475

0,750

1000

0,550

1,25

2000

0,450

1,25

3000

1,15

5000

1,15

Кислород в молодом океане

По словам Вальдбауэра, такие низкие концентрации кислорода могли и не
оставить следов в геологических отложениях. Но при этом, их достаточно, чтобы
поддерживать жизнедеятельность дрожжей. Возможно, было достаточно и для
метаболизма других эукариотов, населяющих в то время океан.

Это значит, что, вполне возможно, в молодом океане находился кислород
задолго до его появления в атмосфере. Скорее всего, первый кислород производили
сине-зеленые водоросли во время фотосинтеза, а затем его потребляли другие
организмы. Вероятно, в океане находились «оазисы» кислорода. Часть его
расходовалась на окисление железа и сульфидов, которые попадали в океан от
извержений подводных вулканов.

Статья Вальдбауэра и его коллег о кислороде в древнем океане
опубликована в журнале PNAS.

Насыщение кислородом глубин океана произошло значительно позже, чем появление первых животных • новости науки

Проанализировав степень окисленности железа в базальтовых лавах, изливавшихся в разные периоды геологического времени на океаническое дно, американские геохимики восстановили историю насыщения кислородом глубинных частей океана. Так как степень насыщенности кислородом вод океана напрямую связана с парциальным давлением кислорода в атмосфере, ученые выяснили и то, когда содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня. Это произошло значительно позже, чем возникли первые виды животных.

Считается, что в самом начале протерозоя, примерно 2,5–2,2 млрд лет назад, в земной атмосфере впервые появился свободный кислород — произошла так называемая кислородная катастрофа (подробнее об этой гипотезе см. в новости «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2022). В результате общий характер атмосферы изменился с восстановительного на окислительный. До этого как на поверхности Земли и в атмосфере, так и в водах мирового океана царила бескислородная среда. Кислород возникал в верхних слоях атмосферы в процессе фотодиссоциации углекислого газа и воды, но практически весь расходовался на окисление других газов и поглощался земной корой. В конце протерозоя содержание кислорода в атмосфере стало стремительно расти в связи с появлением в  океане автотрофных фотосинтезирующих организмов. Сначала и он поглощался закисным железом, но после того, как содержание растворенного железа в океанах значительно уменьшилось, кислород стал накапливаться в гидросфере и атмосфере Земли.

Время начала глубинной океанской оксигенации (насыщения кислородом) — важный исторический рубеж в геологической истории Земли, с которым связано становление современных морских биогеохимических циклов и зарождение многих видов позднепротерозойской фауны, которой был жизненно необходим кислород. Считается, что глубины океана оставались практически лишенными кислорода между 2500 и 800 млн лет назад, а насыщение происходило 800–400 млн лет назад постепенно по мере роста парциального давления кислорода в атмосфере (PO2 atm). В период 2,5–2,3 млрд лет назад на фоне общего роста значение этого показателя перевалило отметку 10−5 от современного (PAL — present atmospheric level), а начиная с 400 млн лет назад значение PO2 atm превышало 70% PAL. Исходя из биогеохимических моделей, для того, чтобы произошла оксигенация глубинных зон океана, значение PO2 atm должно составлять от 15 до 50% PAL. Считается, что в период 2500–800 млн лет PO2 atm было ниже, а глубинные зоны океана были бескислородными или содержали первые микромоли молекул кислорода на килограмм воды. В настоящее время они содержат около 180 мкмоль О2/кг воды.

Гипотеза кислородной катастрофы основывается на результатах изучения геохимических параметров и изотопного состава осадочных отложений, сохранившихся на шельфе и континентальном склоне ниже волновой зоны (глубже 100 м). Однако результаты этих исследований вряд ли можно распространять на всю площадь океанского дна со значительно большими глубинами.

Чтобы восполнить пробел в знаниях об оксигенации глубинных частей океана, американские геохимики Дэниэл Столпер (Daniel A. Stolper) и Брэнин Келлер (C. Brenhin Keller) из Калифорнийского университета в Беркли предложили геохимический метод, основанный на анализе отношения количества трехвалентного железа к общему количеству железа (то есть степени окисленности железа, Fe 3/ΣFe) в древних гидротермально измененных базальтовых лавах, изливавшихся на морское дно. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Несмотря на то, что большая часть древних (домезозойских) базальтов к настоящему моменту исчезла в зонах субдукции, их фрагменты все же сохранились в офиолитовых комплексах, представляющих собой деформированные участки древней океанической литосферы. Авторы собрали данные по значениям Fe 3/ΣFe в базальтах из 73 офиолитовых комплексов. Всего были использованы данные по 1085 пробам, охватывающие период 3503–14 млн лет назад. В выборке участвовали только подводные базальты экструзивных фаций, так как экструзии формировались именно в местах наибольшей проницаемости океанической коры для морской воды. Помимо данных из офиолитовых комплексов, авторы использовали аналитику по образцам кернов, полученным в ходе реализации программ глубоководного бурения (1151 определение по 71 образцу). Результаты приведены на рис. 2.

Как видно из рис. 2, средние значения Fe 3/ΣFe для архея (более 2500 млн лет назад), раннего и среднего протерозоя (2500–1000 млн лет) и позднего протерозоя (1000–541 млн лет), составляющие 0,20–0,26, находятся в пределах интервала значений для современных неизмененных (неокисленных) океанических базальтов (0,10–0,31). Это значит, что они изливались в бескислородной среде. При этом значения Fe 3/ΣFe оставались стабильными (в пределах погрешности измерений) в течение всего докембрия (около трех миллиардов лет).

Начиная с кембрийского периода (рубеж докембрия и фанерозоя) фиксируется устойчивый и постоянный рост средних значений Fe 3/ΣFe. Для раннего палеозоя (541–420 млн лет) этот параметр составляет 0,34; для позднего палеозоя (420–252 млн лет) — 0,47; для мозозойско–кайнозойских базальтов (менее 252 млн лет) — 0,58. Для современных базальтовых лав, изливающихся на морское дно (их еще называют подушечными лавами благодаря особым образованиям в виде подушковидных тел, рис. 1), характерна высокая степень окисленности железа, связанная с циркуляцией насыщенной кислородом морской воды в верхних слоях океанической земной коры. На диаграмме также хорошо видно, что образцы базальтовых лав, полученные из кернов буровых скважин, менее окислены, чем современные подушечные лавы, изливающиеся на поверхность.

Следующим шагом в исследовании американских геохимиков стало вычисление на основе параметра Fe 3/ΣFe содержания свободного кислорода в придонной воде (рис. 3).

Видно, что на рубеже архея и протерозоя бескислородный режим сменяется кислородным. Однако основная задача исследования заключалась не в том, чтобы подтвердить общепринятую гипотезу о том, что в течение всего докембрия среда в океанах была бескислородной, а затем сменилась на кислородную, а определить тот момент, когда кислорода в глубинах океана стало достаточно для бурного развития организмов.

Данные исследования указывают на то, что глубинная оксигенация, соответствующая значениям PO2 atm > 15–50% PAL, имела место только в фанерозое (с 541 млн лет до настоящего времени), а скорее всего началась вообще не раньше позднего палеозоя (420 млн лет назад), в то время как первые животные появились значительно раньше (см. новость Животные появились свыше 635 миллионов лет назад, «Элементы», 09.02.2009) — в неопротерозое.

Еще одним важным выводом, полученным американскими учеными, является свидетельство того, что насыщенность кислородом вод океана нарастала постепенно в течение всего фанерозоя. До этого все биогеохимические модели исходили из того, что значение PO2 atm практически не менялось с позднего палеозоя до наших дней.

Источник: Daniel A. Stolper, C. Brenhin Keller. A record of deep-ocean dissolved O2 from the oxidation state of iron in submarine basalts // Nature. 2022. DOI: 10.1038/nature25009.

Владислав Стрекопытов

Откуда берется кислород — независимая экологическая экспертиза

ОТКУДА БЕРЕТСЯ КИСЛОРОД

Ежегодно десятки миллиардов тонн кислорода расходуются на дыхание людей и животных, на нужды промышленности, которые все растут. А кислорода в воздухе пока практически не становится меньше.

Считают, что зеленые растения в результате фотосинтеза выделяют почти шесть тонн кислорода на каждую тонну кислорода, израсходованную на их дыхание. Причем 80% кислорода передают в атмосферу водоросли морей и океанов, так называемый фито-планктон, и лишь 20% — наземные растения. Поэтому-то океан часто и называют легкими Земли. В фитопланктоне, составной частью которого являются сине-зеленые водоросли, протекает реакция фотосинтеза:

6CO2   6H2О = С6Нl2О6   6O2Концентрации кислорода в океане раскрывает геологическую историю Земли – Наука – Коммерсантъ.

Из диоксида углерода СО2 и воды образуется глюкоза C6H12O6, а «нежелательный» кислород O2 выделяется в атмосферу. Энергия, необходимая для осуществления этого синтеза, передается фито-планктону солнечным светом.

Степин Б. Д., Аликберова Л. Ю. Книга по химии для домашнего чтения.— М.: Химия, 1994 г.— 400c.: ил.

Пищевая сеть — масштабная проблема

Нагреваясь, океан теряет кислород по двум причинам: во-первых, чем теплее жидкость, тем меньше газа она может удержать. Вот почему газированные напитки на солнце выдыхаются быстрее, объясняет Ошлис. Во-вторых, когда тает полярный морской лед, на поверхности образуется слой талой воды, отличающейся по своим свойствам от холодных и более соленых вод на глубине.

Так получается своего рода «крышка», которая мешает течениям перемешивать поверхностные воды с глубинными. И поскольку кислород поступает в эту среду обитания через поверхность — либо непосредственно из атмосферы, либо от обитающего на поверхности фитопланктона — чем слабее смешивание, тем меньше его проникает на глубину.

Некоторые прибрежные районы по обе стороны экватора являются от природы «горячими точками» с низким содержанием кислорода, потому что их воды, где цветущие водоросли потребляют кислород, разлагая мертвую материю, богаты питательными веществами. Но изменения в других экосистемах, в том числе в открытом океане и вокруг полюсов, особенно настораживают Ошлиса и его коллег, потому что эти регионы никогда не считались уязвимыми.

Климатические прогнозы на будущее склонны недооценивать потери кислорода, а между тем они уже идут полным ходом, сообщили Ошлис с коллегами в журнале «Нейчэ» (Nature). И это еще одна причина, почему развитие событий требует особо пристального внимания, предупреждает он.

Даже незначительное снижение напрямую сказывается на поведении в толще воды зоопланктона — мельчайших организмов, составляющих низшее звено пищевой цепи, отмечается в отчете «Сайенс эдванс» (Science Advance) от декабря 2022 года. «Они очень чувствительные», — объясняет Карен Вишнер (Karen Wishner), океанограф из Университета Род-Айленда.

Даже больше, чем ожидалось, признается она. Некоторые виды устремляются на глубину в более прохладные воды, насыщенные кислородом. «Но в какой-то момент у них просто не получается уйти еще глубже», — отмечает она. Чем глубже и холоднее, тем сложнее становится добывать пищу и размножаться.

Помимо сбоев в пищевой сети, по мере привыкания к более низким уровням кислорода животные сталкиваются и с другими физиологическими проблемами. Так, китайские креветки в бедной кислородом воде начинают слабее двигать хвостами, чтобы экономить энергию.

От этого они теряют подвижность и ловкость, отмечает недавнее исследование по физиологии морских и пресноводных организмов, опубликованное в прошлом месяце. Кроме того, с понижением уровня кислорода самцы начинают вырабатывать меньше подвижных сперматозоидов, — причем этот сбой так и не выправляется у последующих поколений, даже если уровень кислорода нормализуется, отметил журнал «Нейчэ коммьюникейшенз» (Nature Communications) в 2022 году.

В бедной кислородом среде могут пострадать и основные сенсорные функции, например, зрение и слух, говорит Лилиан Маккормик (Lillian McCormick), аспирант Калифорнийского университета в Сан-Диего. Из полученных ею предварительных данных следует, что даже небольшое снижение кислорода приводит к ухудшению зрения у ряда видов зоопланктона.

(К слову, то же самое происходит и с людьми на большой высоте: они теряют остроту ночного зрения и хуже различают цвета). Многие виды зоопланктона полагаются на зрительные сигналы, — это позволяет им перемещаться по толще воды и избегать хищников, поэтому с потерей зрения они перестанут их улавливать и сделаются более уязвимыми, объясняет она.

Некоторые существа к низкому содержанию кислорода более терпимы, — например, медузы. Но последствия дезоксигенации почувствуют все без исключения животные, которым нужен кислород, отмечает Брэд Сейбел (Brad Seibel), океанограф из Университета Южной Флориды.

Сокращение ареала

С сокращением богатых кислородом регионов сократятся и ареалы промысловых рыб, — например, тунца, чей лов ежегодно составляет сумму в 42 миллиарда долларов США, — вынудив их мигрировать к новым рубежам. В северо-восточной части тропической Атлантики среда обитания тунца — а с ней и масштаб рыбного промысла — сократилась с 1960 по 2022 год на 15%.

Прибрежное рыболовство столкнется с трудностями вследствие сельскохозяйственных стоков, которые ускоряют цветение водорослей. При последующем гниении тратится огромное количество кислорода, — этот процесс мы уже наблюдали в Мексиканском заливе близ устья Миссиссипи.

Некоторые виды рыб пускаются прочь из этих «мертвых зон» на поиски зон, богатых кислородом, — ближе к границам своего естественного ареала. Эта скученность облегчает задачу рыбакам, но при этом создает ощущение ложного изобилия. В долгосрочной перспективе ничего хорошего из этого не выйдет, предрекает Сейбел.

Для решения всеобщей проблемы снижения кислорода Ошлис в сентябре прошлого года помог организовать международную конференцию в Киле. Ее участники подписали импровизированный документ под названием «Кильская декларация по дезоксигенации океана» с тем, чтобы привлечь внимание всех государств, Организации Объединенных Наций и общественности и призвать к незамедлительным действиям.

Подписанты хотят, чтобы правительства и международные организации предприняли более серьезные шаги с целью замедлить изменение климата и сократить загрязнение побережья сточными водами, которое усугубляет снижение уровня кислорода. Новую декларацию исследователи смоделировали по образцу Монакской декларации от 2008 года, которая, по мнению Ошлиса, в свое время довела важность проблемы окисления океана до сознания многих.

«Для общественности и различных правительственных и международных организаций это должно стать предупреждением о том, что это важная проблема», — объясняет Вишнер. Всего декларацию подписали более 300 ученых из порядка 30 стран. Сейбел, один из подписантов, говорит без обиняков: «Думаю, будущее нас ждет самое печальное».

Спор разрешили дрожжи

Чтобы поставить точку в спорах, Вальдбауэр с коллегами решили провести
эксперимент с дрожжами. Ученые захотели выяснить, могут ли эти организмы
производить кислородсодержащие соединения, находясь при этом в среде,
содержащей совсем небольшое количество кислорода.

Как объясняют ученые, дрожжам для жизни, в том числе и для синтеза
стероидов, необходимы кислород и сахар. Эти же компоненты дрожжи используют для
синтеза эргостерина. Известно, что дрожжи могут расти и без кислорода, расходуя
сам эргостерин. Поэтому ученые в своем эксперименте поместили дрожжи в среду,
богатую эргостерином, глюкозой и с небольшим количеством (несколько наномолей)
кислорода. Оказалось, что дрожжи в таких условиях прекрасно себя чувствовали и
продолжали синтез собственных стероидов.

Чем бы они ни занимались — скрывались от хищников, переваривали пищу и так далее — всяким организмам требуется кислород. но заполучить этот жизненно важный элемент морской флоре и фауне становиться все сложнее, показывают недавние исследования.

За последнее десятилетие уровень кислорода в океане резко упал, и эта настораживающая тенденция связана с изменением климата, объясняет Андреас Ошлис (Andreas Oschlies), океанограф Центра исследований океана имени Гельмгольца в Киле, Германия, чья команда отслеживает уровень кислорода в океане по всему миру.

Само по себе то, что с потеплением океаны теряют кислород, ученых не удивляет, но масштаб этого падения требует срочных мер, предупреждает Ошлис. Недавние исследования показывают, что уровень кислорода в некоторых тропических регионах за последние 50 лет упал на 40%. В других местах оскудение оказалось менее радикальным — в среднем по миру уровень кислорода сократился на 2%.

Однако морские животные — как большие, так и микроскопические — реагируют даже на незначительные изменения уровня кислорода, устремляясь в зоны с более высоким его содержанием или меняя поведение, обнаружили Ошлис и его коллеги. В результате этих поведенческих корректировок животные могут стать добычей для новых хищников или угодить в районы, бедные пищей.

Изменение климата создает серьезные проблемы для морской флоры и фауны уже сейчас — например, окисление среды — однако острее всего перед обитателями морей стоит дезоксигенация или потеря кислорода, объясняет Ошлис. В конце концов, дышать надо всем, говорит он.

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий