История кислорода на Земле: чем дышали миллионы лет назад

Сегодня в атмосфере содержится около 21% свободного кислорода. Если взвесить его объем, то его масса будет равна примерно одному квадриллиону тонн. Но так было не всегда. На протяжении миллиардов лет уровень кислорода постоянно менялся, а вместе с ним эволюция жизни на Земле.

Наша планета сформировалась около 4,6 миллиарда лет назад. Первый миллиард лет в атмосфере не было кислорода. Поэтому первыми жителями Земли стали бактерии, которые поглощали азот, серу, метан. Из этих веществ состояла атмосфера в те времена.

Так продолжалось до тех пор, пока не появились цианобактерии. Эти синезеленые водоросли научились поглощать солнечную энергию и выделять в атмосферу кислород. Его было мало: менее 1%. Но этого оказалось достаточно, чтобы изменился ход эволюции. В начале протерозоя, 2,5 миллиарда лет назад произошла так называемая «кислородная катастрофа». Организмы, которые поглощали кислород, вышли на первый план. От них произошли многоклеточные: животные, растения и грибы.

График 1. Красная линия показывает изменение уровня кислорода на протяжении 4 миллиардов лет. Обратите внимание, что уровень кислорода указан в % от современного. То есть, 100% это нынешние 21%, а 10% – это 2%. Изображение Lee R. Kump The rise of atmospheric oxygen. Русификация автора

На протяжении двух миллиардов лет уровень кислорода медленно увеличивался. К концу протерозоя, 600 миллионов лет назад, его объем резко подскочил до 17%. Одной из причин было глобальное похолодание, длившееся 100 миллионов лет. Большую часть поверхности Земли в те времена занимали моря и океаны. Холодная вода быстрее насыщалась кислородом, что ускорило эволюцию. Скоро на поверхности появились первые растения, выделяющие кислород.

600 – 400 миллионов лет назад объем кислорода в атмосфере колебался в пределах от 15 до 30%. В конце девона, 370 миллионов лет назад уровень кислорода упал до 13%. Предполагается, что причиной стало массовое извержение вулканов или падение метеорита.

График 2. Ломаная линия с кружками показывает изменение уровня кислорода. Сплошная линия указывает на область мин. и макс. значений. Линия №10 – время появления первых динозавров. Период: от 600 миллионов лет назад до наших дней. Изображение Robert Berner, Oxygen and evolution. Русификация автора

К концу каменноугольного периода, 300 миллионов лет назад, уровень кислорода достиг максимума в 35%. Наступила эра гигантских насекомых и амфибий. Высокое содержание кислорода в атмосфере – высокая вероятность пожара. В условиях сухого климата и образования торфяных залежей на Земле вспыхнули пожары. Леса были уничтожены, объем кислорода в воздухе начал снижаться до 15%.

220 миллионов лет назад уровень кислорода вырос с 15 до 19%. Этот скачок произошел всего за три миллиона лет, что очень быстро по геологическим меркам. Тогда появились быстроходные сухопутные рептилии – предки динозавров, птиц и крокодилов, а также млекопитающие.

Герреразавр – один из самых ранних известных на сегодняшний день динозавров. Изображение Creative Commons

После очередного массового вымирания 200 миллионов лет назад на Земле стали доминировать динозавры. Кислород в это время упал до 12%. Его снижение «заставило» хищных динозавров встать на задние лапы. Благодаря чему они могли быстрее бегать. Кроме того, у рептилий развились особые легкие. Таким образом, им было легче дышать в сложившихся условиях.