§ 33. Эволюция биосферы. Кислородная революция

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая их жизнедеятельностью. Она включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы, где возможна жизнь. Организмы зависят от неживой природы, но и сами меняют её: например, фотосинтез преобразует состав воздуха. Поэтому биосфера — единая система живого и неживого.

Кислородная революция — крупное изменение состава атмосферы и условий жизни, связанное с накоплением свободного кислорода. Это не одномоментное событие: кислород постепенно поступал в среду и сначала связывался в химических реакциях. Термин помогает описать переход к новой атмосфере и последствия этого перехода для организмов. Изменения затронули и состав воздуха, и возможности живых существ.

Цианобактерии — древние бактерии, способные к фотосинтезу. Они использовали энергию света, чтобы создавать органические вещества, и выделяли свободный кислород. Их деятельность внесла важный вклад в изменение атмосферы, хотя кислород производили и другие фотосинтезирующие организмы. Понимание роли цианобактерий позволяет найти биологический источник кислородной революции.

Аэробное дыхание — получение организмом энергии с участием кислорода. Оно стало широко возможным по мере того, как свободный кислород накапливался в окружающей среде. Такой способ обмена веществ расширил энергетические возможности организмов по сравнению с процессами без кислорода. Благодаря этому стало возможным развитие организмов с более сложной организацией.

Как это устроено

При фотосинтезе организмы поглощают энергию света и используют её для образования органических веществ из углекислого газа и воды. В результате преобразований атомы кислорода из молекул воды высвобождаются и образуют молекулярный кислород. Поэтому фотосинтез не просто связывал углекислый газ, но и добавлял в окружающую среду свободный O₂. Древние цианобактерии стали важным источником этого газа, производя его в течение длительного времени.

Однако произведённый кислород не сразу попадал в атмосферу и накапливался в ней. В древних океанах и породах было много веществ, способных вступать с ним в реакцию, например соединений железа. Кислород окислял эти вещества, то есть связывался с ними и переставал быть свободным. Пока такой химический «запас» не был в значительной мере исчерпан, поступление кислорода от фотосинтеза компенсировалось его расходованием.

Когда свободного кислорода стало достаточно, его содержание в атмосфере начало возрастать. Часть кислорода под действием солнечного излучения превращалась в озон, молекулы которого состоят из трёх атомов кислорода. Озон собрался в верхних слоях атмосферы и стал поглощать значительную долю ультрафиолетового излучения. Благодаря этому поверхность планеты получила более эффективную защиту, а условия для жизни вне водной среды улучшились.

Рост содержания кислорода означал опасность для организмов, привыкших жить без него. У многих анаэробных форм кислород нарушал работу клеток, поэтому они исчезали из насыщавшихся кислородом местообитаний или сохранялись в бескислородных средах. Но некоторые организмы смогли использовать кислород в обмене веществ. Аэробное дыхание дало им возможность получать энергию при окислении органических веществ с участием O₂.

Изменение атмосферы повлияло на дальнейшее направление эволюции: одни группы организмов сокращались, другие получали новые преимущества. Использование кислорода в дыхании поддержало развитие более сложных форм жизни, а озоновая защита ослабила один из барьеров для освоения суши. В итоге организмы получили возможность существовать в более разнообразных условиях. Так фотосинтезирующая жизнь преобразовала среду, а преобразованная среда изменила ход эволюции биосферы.

Биосфера до и после накопления кислорода в атмосфере

Сравнивайте строки по отдельности: таблица показывает, что изменился не только состав атмосферы, но и условия для разных групп организмов. Особенно важно различать источник кислорода и процессы, которые его расходуют. Озоновая защита связана с кислородом, но не заменяет его роль в дыхании.

Разбор задач

1. Установите, какой процесс стал главным биологическим источником свободного кислорода в древней атмосфере.

Нужно определить не любой процесс, связанный с кислородом, а тот, который поставлял свободный O₂ в окружающую среду. Для этого вспомним, какие организмы выделяют его в ходе обмена веществ. Затем проверим, соответствует ли процесс условию о биологическом источнике.

1. Фотосинтезирующие организмы используют свет и связывают углекислый газ, образуя органические вещества.
2. При фотосинтезе высвобождается кислород, который может поступать в воду и атмосферу.
3. Древние цианобактерии осуществляли фотосинтез, поэтому их деятельность пополняла запас свободного кислорода.

Ответ: главным биологическим процессом был фотосинтез, важную роль в котором играли древние цианобактерии. Дыхание кислород не производит, а использует. Поэтому при поиске источника нужно ориентироваться на выделение O₂, а не на его потребление.

2. Объясните, почему появление фотосинтезирующих организмов не привело к немедленному росту содержания кислорода в атмосфере.

Кажется, что производство кислорода сразу должно было увеличить его количество в воздухе. Но для ответа нужно учесть не только поступление газа, но и его расходование. В древней среде существовали вещества, которые активно связывали свободный кислород.

1. Цианобактерии и другие фотосинтезирующие организмы выделяли кислород.
2. Кислород вступал в реакции с растворёнными веществами океана и породами земной коры, окисляя их.
3. Пока на такие реакции расходовалась большая часть выделенного газа, его содержание в атмосфере не могло быстро расти.

Ответ: кислород сначала расходовался на окисление веществ океана и земной коры. Когда способность среды связывать его стала меньше, свободный кислород смог накапливаться в атмосфере. При решении важно учитывать баланс поступления и связывания газа.

3. Проследите цепочку последствий накопления кислорода: от изменения атмосферы до появления новых возможностей для организмов.

Здесь требуется выстроить причинно-следственную цепочку, а не просто перечислить последствия. Начнём с роста содержания кислорода и проследим, что он менял в атмосфере и обмене веществ. Затем свяжем эти изменения с условиями жизни организмов.

1. Свободный кислород накапливается в атмосфере и становится доступен живым организмам.
2. Из части кислорода образуется озон, поглощающий значительную долю ультрафиолетового излучения.
3. Кислород начинает широко использоваться при аэробном дыхании, а ослабление ультрафиолета улучшает условия на поверхности.
4. Анаэробные формы испытывают неблагоприятное воздействие, тогда как аэробные организмы получают новые возможности для существования и развития.

Ответ: накопление кислорода меняет атмосферу, способствует формированию озонового слоя и распространению аэробного дыхания. Эти процессы одновременно создают новые возможности для одних организмов и ухудшают условия для других. Именно поэтому последствия кислородной революции были неодинаковыми для разных групп.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что кислород начал накапливаться сразу после возникновения фотосинтеза. Такое представление возникает, если учитывать его производство, но забывать о химических реакциях в океане и породах. Проверь себя: можешь ли ты назвать, куда расходовался кислород до его накопления в атмосфере? Если ответ есть, значит, ты учитываешь обе стороны процесса.

Неверно приписывать появление свободного кислорода дыханию. Путают процессы, потому что оба относятся к обмену веществ, но при фотосинтезе кислород выделяется, а при аэробном дыхании используется. Проверь формулировку: источник должен именно производить O₂. В рассматриваемой истории таким источником был фотосинтез.

Нельзя представлять кислородную революцию как событие, одинаково благоприятное для всех организмов. Такое упрощение возникает, если смотреть только на преимущества аэробного дыхания и озоновой защиты. Для многих анаэробных форм кислород был вреден, и среда становилась для них менее пригодной. Проверь себя: назови хотя бы одну группу организмов, чьи условия ухудшились.

Не следует смешивать действие кислорода и озонового слоя. Ошибка возникает потому, что озон образуется из кислорода, но функции у них разные: кислород участвует в дыхании, а озон поглощает часть ультрафиолета. Проверь себя вопросом «какой процесс или воздействие описано?». Если речь о получении энергии — это кислород, если о защите от ультрафиолета — озоновый слой.

Связь с другими темами

Для понимания кислородной революции нужно знать основы фотосинтеза и клеточного дыхания, а также различать аэробные и анаэробные организмы. Тема связана с геологической историей Земли: состав атмосферы менялся вместе с развитием жизни и химическими процессами в океане и породах. Она помогает понять, как эволюция организмов влияет на окружающую среду, а изменения среды, в свою очередь, направляют эволюцию. Эти знания пригодятся при изучении обмена веществ, эволюции эукариот и современных биогеохимических циклов.

Что запомнить

• Фотосинтезирующие организмы стали важным источником свободного кислорода.
• Кислород сначала расходовался на окисление веществ океана и земной коры.
• Накопление кислорода изменило состав атмосферы.
• Из кислорода в атмосфере сформировался озоновый слой.
• Кислородная революция ухудшила условия для многих анаэробных организмов.
• Кислород создал условия для распространения аэробного дыхания.