Когда мы начинаем задыхаться: может ли однажды у нас закончиться кислород?
Александр Алексеенко - 07.03.22 Глядя на все более перенаселенную планету Земля, а также на растущие города и фабрики, у многих людей возникает тревожный вопрос – достаточно ли кислорода? Разве не может случиться так, что однажды это просто произойдет, и мы задохнемся?
Кислород является вторым по распространенности газом в атмосфере нашей планеты, составляя менее 21%. И его роль в поддержании жизни на Земле, какой мы ее знаем сегодня, неоспорима. Кислородом дышат не только люди, но также животные, грибы, растения и большинство бактерий. Конечно, и сегодня на Земле есть организмы, которые полностью обходятся без кислорода. Но, если бы он исчез из атмосферы, погибло бы подавляющее большинство всего живого.
Фото: https://daynightcarebd.com/
Миллионы лет назад
Земле около 4,6 млрд лет, и ученые предсказывают появление первых форм жизни относительно скоро после ее образования — около 4 млрд лет назад. Однако жизнь как таковая еще довольно долго сохранялась в своих наиболее примитивных формах. Причиной такого состояния был негостеприимный состав атмосферы, которая в то время содержала лишь часть сегодняшней концентрации кислорода. Даже «всего» миллиард лет назад содержание кислорода достигало всего 0,1% от нынешних значений. Так откуда взялся кислород в атмосфере?
Каждое лето можно прочитать в новостях о заражении прудов и водоемов заросшими цианобактериями. Эти сложные микроорганизмы создают токсины и во многих местах делают невозможным плавание. Однако именно «водяному цветку» мы обязаны образованию кислородной атмосферы. Цианобактерии, называемые на латыни Cyanobacteria (да, де-факто они являются фотосинтезирующими бактериями), являются одними из древнейших организмов на Земле.
Конкурентная борьба за кислород
Поначалу цианобактерии не были очень широко распространены, а кислород был, по сути, просто отходами их жизнедеятельности. Первоначально кислород был ограничен в так называемых кислородных оазисах в океанах. Следует подчеркнуть, что организмы не были приспособлены к его присутствию и для большинства из них он был токсичен. Его более массовому распространению препятствовала также деятельность подводных вулканов, использовавших его для окисления своей продукции.
Лишь с постепенным прекращением вулканической деятельности цианобактерии распространились более массово. Зеленая масса постепенно затопила океаны и, перепроизводя кислород, устранила своих конкурентов, для которых эти концентрации были токсичны. В то время на Земле уже не было организмов, которым для дыхания не требовался кислород. Однако насыщение атмосферы кислородом имело еще один побочный эффект, оказавший большое влияние на развитие жизни.
До создания кислородной атмосферы поверхность планеты безжалостно выжигалась ультрафиолетовыми лучами солнца, что делало развитие жизни на поверхности практически невозможным. Однако из-за присутствия кислорода образовался озоновый слой, который стал эффективным УФ-фильтром, защищающим безмятежное распространение жизни на планете.
Фото: https://www.ferra.ru/
Вы знаете, чем вы дышите?
Люди недавно узнали о наличии кислорода в атмосфере, хотя необходимость дыхания и незаменимость воздуха известны с древних времен. Вот только мы не различали воздух, кислород и другие газы. Вплоть до того момента, когда Леонардо да Винчи заметил, что один из компонентов воздуха поддерживает горение, и впервые кислород был отдельно описан шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле, который назвал его «огненным воздухом». Тогда француз Антуан Лавуазье впервые использовал название «кислород» для компонента воздуха, необходимого для дыхания и горения.
Уровень кислорода в атмосфере, конечно, менялся с течением времени. Помимо цианобактерий роль производителей кислорода взяли на себя и высшие растения, потребление которых колебалось в зависимости от множества различных факторов. Поэтому неудивительно, что в прошлом доля кислорода в атмосфере была намного выше, до 30%. Однако небезынтересно, что его концентрация в истории Земли упала до гораздо более низких уровней.
Согласно расчетам на основе анализа горных пород, его концентрация составляет всего от 10 до 15% примерно 200 миллионов лет назад. Затем его доля постепенно увеличивалась и достигла сегодняшних значений примерно 40 млн лет назад. Именно в это время произошло и массовое развитие млекопитающих, чьи теплокровные тела предъявляют гораздо большие требования к концентрации кислорода, чем рептилии.
Ложная сигнализация
В последнее время все чаще появляются тревожные сообщения об истощении кислорода. Реальность такова, что на Земле действительно есть места, где ощущается нехватка кислорода. Однако в основном это водная среда, как правило, части морей и океанов. Растворимость кислорода в воде обратно пропорциональна ее температуре. Чрезмерно нагретые местности, обычно у берегов в субтропиках и тропиках, испытывают тогда критический недостаток кислорода. Места с высоким уровнем загрязнения также характеризуются большим потреблением кислорода, который идет на разложение органических веществ – обычно это устья крупных загрязненных рек.
Рыба и многие другие морские животные не могут жить в таких районах, так что это серьезная экологическая проблема. Однако недостаток кислорода в этих местах лишь относительный, главная проблема в его распределении, а не в общем недостатке.
Однако количество кислорода на Земле действительно немного уменьшилось. Но общее снижение с тех пор, как человечество начало сжигать ископаемое топливо в больших масштабах, с начала промышленной революции, составляет всего 0,095%. Это уменьшение настолько мало, что фактически не влияет на организм человека. Вы испытаете сопоставимое падение, если подниметесь примерно на 100 м над уровнем моря.
Фото: https://www.ski.ru/
Несмотря на безжалостность
Сегодняшняя человеческая цивилизация потребляет больше кислорода, чем может быть восполнено естественным путем в атмосфере. В то время как один только человек потребляет около 0,8 кг кислорода в день, дальнемагистральный реактивный самолет потребляет несколько тонн, не говоря уже об угольных электростанциях и других установках сжигания. Мировое общество потребляет в общей сложности столько ископаемого топлива в год, сколько ему удалось сэкономить за миллион лет.
По сравнению с естественными процессами это значительная скорость, и в измеримой форме это отразилось, прежде всего, на увеличении содержания углекислого газа в атмосфере Земли. Однако надо сказать, что общий состав атмосферы не сильно беспокоил это массовое возгорание. Газовая оболочка планеты действительно имеет гигантские запасы, и даже если бы люди сожгли все ископаемое топливо и вырубили леса, содержание кислорода в атмосфере не упало бы более чем на несколько процентов.
Как дополнить кислород?
Поддержанию кислорода в атмосфере мы обязаны влажным тропическим лесам. Ведь тропические леса Амазонки недаром называют «легкими планеты»! Однако это лишь глубоко укоренившийся миф. Хотя лесная экосистема массово производит кислород, она столь же массово его потребляет. Например, растущее дерево в тропическом лесу поглощает большое количество углекислого газа и создает пропорциональное количество кислорода. Однако, как только оно умирает и падает, вся его биомасса быстро разлагается, выделяя в атмосферу весь потребленный углекислый газ.
Чтобы процент кислорода поднялся на Земле, его производство должно преобладать над потреблением. На практике это означает, что растение, выработавшее при жизни кислород, должно не разлагаться, а «консервироваться» без доступа воздуха. Такие процессы известны, подобным образом добывали уголь или нефть. Это и сегодня происходит, например, на торфяниках или глубоководных болотах. Только масштаб, в котором происходят эти процессы, должен был бы быть во много раз больше.
Достаточно для всех
В настоящее время пополнением атмосферы кислородом мы обязаны главным образом морскому фитопланктону, особенно цианобактериям. Однако его запас в атмосфере настолько значителен, что, если бы все живое исчезло с планеты, потребовалось бы еще 15 миллионов лет, прежде чем оно в основном использовалось бы для постепенного окисления газов и горных пород.
Фото: https://profile.ru/
Между тем, если уровень кислорода со временем упадет ниже 19,5%, массового вымирания цивилизаций из-за высотной болезни точно не будет. Даже сегодня мы знаем этнические группы, члены которых на протяжении многих поколений жили в высоких местах. Это индейцы Анд, тибетцы и эфиопы. У всех этих горцев организм постепенно приспосабливался к недостатку кислорода различными механизмами (повышение гемоглобина, регулировка вязкости крови, изменение легочной ткани и др.). Поэтому, если бы перемены не происходили семимильными шагами, маловероятно, что сегодняшние люди или их потомки вообще заметили бы это.
Когда мы начинаем задыхаться?
Утверждается, что население в целом воспринимает концентрацию кислорода менее 19,5% как проблематичную. Однако такие условия обычно преобладают на больших высотах. Хотя доля кислорода там составляет 21%, как и везде, из-за более низкого давления воздуха его вдыхаемое количество меньше. Это проявляется в ряде трудностей, которые в совокупности называются «высотной болезнью».
Комментарии