Уменьшение озонового слоя

Роль озонового экрана в развитии и сохранении жизни на Земле

Современная кислородная атмосфера Земли — уникальное явление среди планет Солнечной системы, и эта ее особенность связана с наличием на нашей планете жизни. О том, какой могла быть первичная атмосфера, можно судить по составу атмосферы других планет, а он достаточно хорошо изучен при помощи современных астрофизических методов. Кроме азота, составляющего большую часть и современной атмосферы, в первичной атмосфере Земли содержались углекислый газ и окись углерода, метан, цианистый водород, аммиак, водород и, разумеется, пары воды. Свободный кислород в ничтожной концентрации присутствовал, по-видимому, только в верхних слоях атмосферы, где он возникал в результате частичного разложения воды под действием жестких излучений и быстро связывался вновь. Состоявшая из восстановленных веществ и соединений, первичная атмосфера в целом обладала восстановительными свойствами.

В условиях восстановительной атмосферы и отсутствия растворенного кислорода в воде первичного океана из органических веществ, синтезированных в результате физико-химических процессов на поверхности остывающей планеты, около 4 миллиардов лет назад возникла жизнь. Только тогда, когда в процессе эволюции в первичном океане возникли первые организмы, способные к фотосинтезу, началось преобразование атмосферы, поскольку газообмен между воздухом и водой шел по всей огромной поверхности океана, в котором кишели микроскопические водоросли. Однако, хотя при восстановлении углерода и водорода в процессе фотосинтеза выделяется 2,67 г. кислорода на каждый грамм углерода, вошедшего в состав органического вещества, при минерализации веществ, составляющих организм водоросли, после ее гибели весь углерод вновь окисляется, связывая ровно столько кислорода, сколько его было выделено при фотосинтезе. Суммарная реакция фотосинтеза, идущая в обратном направлении, представляет собой суммарную реакцию дыхания (см. статью «Химические реакции«), в которой энергия (Е), поглощенная при фотосинтезе в форме световой, выделяется при дыхании в форме химической (энергия «макроэргических» связей аденозинтрифосфата) и отчасти рассеивается в форме тепловой.

6С02 + 6Н20 + С6Н12О6 + 602

Свободный кислород может накапливаться в атмосфере только при условии, что часть возникающего при фотосинтезе и как угодно преобразованного (например, вошедшего в состав тел животных) органического вещества не разлагается вновь, а откладывается, изолируется от взаимодействия с кислородом. Огромные запасы ископаемых органических веществ — угля, жидких и газообразных углеводородов, накапливавшихся в осадочных породах в течение более чем 2 миллиардов лет, и есть соединения восстановленных элементов, «оторванных» фотосинтезом растений от кислорода, постепенно накапливавшегося при этом в атмосфере.

С тех пор как атмосфера Земли перестала быть восстановительной и в ней появился свободный кислород, в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения Солнца стал синтезироваться озон — трехатомный кислород. В отличие от обычного кислорода озон неустойчив, он легко переходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон — гораздо более сильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии, подавлять рост и развитие растений (см. статью «Окисление и восстановление«). Впрочем, из-за его низкой в обычных условиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практически не влияют на состояние живых систем. Гораздо важнее другое его свойство, делающее этот газ совершенно необходимым для всей жизни на суше. Это свойство — способность озона поглощать жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение (УФ). Кванты жесткого УФ обладают энергией, достаточной для разрыва некоторых химических связей, почему его относят к ионизирующим излучениям. Как и другие излучения этого рода, рентгеновское и гамма-излучение, оно вызывает многочисленные нарушения в клетках живых организмов.

В составе излучений Солнца, жесткие УФ-лучи составляют значительную по мощности часть. До появления в атмосфере озона поверхность Земли находилась под постоянным воздействием жесткого УФ-излучения. Оно не проникает в толщу воды, но на сушу жизнь могла выйти только тогда, когда озоновый экран планеты стал достаточно мощным. Это произошло в силурийском периоде палеозойской эры, более 400 миллионов лет назад. С тех пор как содержание кислорода в атмосфере, так, следовательно, и мощность озонового экрана не были постоянными. Эволюция земной коры шла неравномерно, в периоды повышенной вулканической активности массы выбрасываемых с магмой восстановленных пород, окисляясь на воздухе, частично связывали кислород. Даже незначительное количество хлора, содержащегося в вулканических газах, активно разрушая озон, способствовало снижению его содержания в атмосфере. В этих условиях Земля подвергалась, по-видимому, усиленному УФ-облучению, что, с одной стороны, способствовало гибели части видов наземных растений и животных, с другой — повышало частоту мутаций, способствуя интенсификации процессов эволюции.

Можно, таким образом, предполагать, что неравномерность хода эволюционных процессов наземных форм жизни связана с неравномерностью геологической эволюции земной коры многими факторами, в числе которых изменения мощности озонового слоя играли не последнюю роль.