Происхождение кислорода во вселенной

Кислород и углерод появились во Вселенной по воле кварка

Как известно, углерод и кислород составляют основу жизни на Земле. Однако согласно исследованию физиков из Государственного университета Северной Каролины, эти ключевые элементы были практически на.

Ученые изучали условия, необходимые для формирования кислорода и углерода. Они образуются в процессе горения гелия внутри гигантских красных звезд. При этом углерод-12, один из важнейших элементов, из которого мы буквально и состоим, формируется только, когда три альфа-частицы, или ядра гелия-4, взаимодействуют очень специфическим образом.

Ключом к образованию является возбужденное состояние углерода-12, известное как состояние Хойла. Оно имеет очень конкретную энергию — около 379 кэВ (379 000 электрон-вольт), это выше энергии трех альфа-частиц. В свою очередь кислород образуется в результате взаимодействия альфа-частиц и углерода.

Ученым удалось смоделировать на компьютере состояние Хойла и исследовать взаимодействие протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Масса кварков является одним из основных параметров в природе и влияет на характеристики других частиц. Новые расчеты показали, что даже крошечное изменение в массе кварков меняет энергию состояния Хойла и, в свою очередь, влияет на формирование углерода и кислорода.

Получается, что масса кварка и состояние Хойла является ключевыми для образования жизни, подобной нашей. Если бы, например, энергия состояния Хойла была 479 кэВ или еще выше энергии трех альфа-частиц, то во Вселенной было бы слишком мало углерода, и жизнь на Земле никогда бы не возникла.

Что касается кислорода, то энергия состояния Хойла на уровне 279 кэВ привела бы к более раннему превращению гелия в углерод. Из-за этого углерода было бы в избытке, но звезды были бы холоднее и производили намного меньше кислорода. Ученые подводят итог: если бы масса кварков колебалась в пределах 2-3%, то в нашей Вселенной были бы проблемы с углеродом и кислородом. Так что нам крупно повезло, что физические параметры кварков «уложились» в эти узкие рамки и подарили нам жизнь.

Источник

Откуда на Земле кислород?

Ученые из Калифорийского университета в Дэвисе опубликовали в журнале Science статью, в которой экспериментально подтверждают свою гипотезу, объясняющую появление на Земле кислорода нерастительного происхождения.

Почти все живое использует для дыхания кислород. Не вникая особенно в физику и химию процессов клеточного дыхания, скажем, что выбор эволюции пал на кислород из-за его высокой способности к окислению, то есть тому, чтобы легко присоединять лишний электрон. Электрон поступает в электротранспортную цепь от НАДH или ФАДH₂ путешествует по ней, и все заканчивается синтезом молекулы АТФ – материальным эквивалентом запасенной энергии и присоединением электрона к кислороду. Вся эта реакция становится возможной, потому что такой перенос электрона энергетически выгоден, а это частично обусловлено свойствами кислорода.

Когда жизнь на Земле зарождалась, кислорода в атмосфере практически не было, как нет его сегодня на Венере или Марсе. Древние бактерии были вынуждены использовать другие окислители, зачастую энергетически менее выгодные, зато доступные. NO₃ – , NO₂ – , Fe 3+ , фумарат и диметилсульфоксид, используемые некоторыми видами бактерий, обладают более высоким окислительно-восстановительным потенциалом и менее выгодны в качестве окислителей. Многие бактерии, использующие один из этих окислителей, способны также и к кислородному дыханию. При наличии кислорода они дышат им (это выгоднее), а когда кислорода нет, – другим своим окислителем (надо же как-то). Серосодержащие окислители (S, SO₄ – ) обладают более низким окислительно-восстановительным потенциалом. Это, однако, делает кислород токсичным для соответствующих микроорганизмов, и в атмосфере, содержащей кислород, они погибают. У более высокоорганизованных жизненных форм анаэробное дыхание встречается редко и почти никогда не служит основным источником энергии.

Могли ли высокоразвитые формы жизни использовать в качестве окислителя не кислород? Кислород в качестве окислителя энергетически выгоднее большинства других субстратов (чем ниже окислительно-восстановительный потенциал окислителя, тем больше энергии выделяется при прохождении электрона через электротранспортную цепь). Значит, дышащие кислородом организмы обладали более эффективным метаболизмом, были лучше адаптированы. С энергетической точки зрения серосодержащие субстраты тоже вполне выгодны. Проблема, правда, заключается в том, что обладатели такого типа дыхания гибнут в присутствии кислорода. До сих пор не вполне понятно, почему именно это происходит. То есть, если бы в атмосфере Земли не появился кислород, со временем обладатели сульфатного дыхания могли бы эволюционировать и дальше. Но кислород появился, и им пришлось отправиться в «резервации», куда кислород не поступает.

Вопрос в том, откуда появился кислород. На сегодняшний день в атмосфере Земли примерно 20% кислорода. В таких огромных количествах его выделяют фотосинтезирующие растения, в основном, деревья и водоросли. Но фотосинтезирующие растения сами теперь в большинстве своем дышат кислородом. Чтобы в ходе эволюции мутации, позволяющие дышать кислородом, закрепились, это должно быть выгодно, значит, должен быть кислород. В большом количестве кислород на Земле появился благодаря цианобактериям. Это азотфиксирующие бактерии, умеющие фотосинтезировать. То есть массово кислород появился на Земле как побочный продукт фотосинтеза. Это событие называют «Кислородной катастрофой», видимо, за масштаб последствий.

А вот на вопрос о том, был ли кислород до этого, остается открытым. Последние 40 лет все увереннее стали говорить, что кислород был и до Кислородной катастрофы, и вот теперь возможность его существования подтверждена экспериментально.

До сегодняшнего дня был известен только один способ возникновения молекулярного кислорода в тогдашних условиях. Он состоит из двух стадий: диссоциации углекислого газа под воздействием солнечного ультрафиолета на угарный газ и атомарный кислород и реакции двух атомов кислорода, требующей третьего участника: атомы объединяются в молекулу, а носитель (M) уносит лишнюю энергию.

Однако же расчеты, а затем и эксперимент, проведенные авторами обсуждаемой статьи показали, что кислород может под действием ультрафиолета образовываться из углекислого газа в один шаг:

В эксперименте использовался лазер с длиной волны 200 нм, свет с такой длиной волны обычно поглощается атмосферой, поэтому реакция должна была протекать в верхних ее слоях. Такая реакция может и сейчас, когда содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается, происходить в верхних слоях атмосферы Земли, а может и в атмосферах других планет.

Источник

Как на Земле появился кислород? Описание, фото и видео

Всего лишь 2,3 миллиарда лет назад воздух, окружавший Землю, совершенно не содержал кислорода. Для тогдашних примитивных форм жизни это обстоятельство было сущим подарком.

Одноклеточные бактерии, обитавшие в первобытном океане, не нуждались в кислороде для поддержания своей жизнедеятельности. Затем что – то произошло.

Как на Земле появился кислород?

Ученые считают, что по мере развития некоторые бактерии «научились» извлекать из воды водород. Известно, что вода — это соединение водорода и кислорода, поэтому побочным продуктом реакции извлечения водорода было образование кислорода, выделение его в воду, а за тем и в атмосферу.

Состав атмосферы Земли

Некоторые организмы с течением времени приспособились жить в атмосфере с новым газом. Организм нашел способ обуздывать разрушительную энергию кислорода и использовать ее для управляемого распада питательных веществ, в процессе которого выделяется энергия, используемая организмом для поддержания своей жизнедеятельности.

Такой способ применения кислорода называется дыханием, которым мы пользуемся ежедневно, и посей день. Дыхание — это способ отвести от себя кислородную угрозу: оно сделало возможным развитие на Земле более крупных организмов — многоклеточных, имеющих уже сложное строение. В конце концов, именно благодаря появлению дыхания эволюция породила человека.

Откуда появился кислород на Земле?

За миллионы прошедших лет количество кислорода на земле увеличилось с 0,2 процента до нынешнего 21 процента атмосферы. Но в увеличении кислорода в воздухе атмосферы виноваты не только бактерии океанов. Ученые считают, что другим источником кислорода были сталкивающиеся континенты. По их мнению, при столкновении, а затем при последующем расхождении континентов в атмосферу выделялись большие количества кислорода.

Каким образом? В результате столкновений и расхождений континентов на морское дно опускались огромные осадочные породы, увлекавшие за собой большое количество органических веществ. Если бы этого не происходило, то кислорода было бы больше потрачено на переваривание и окисление этих органических веществ. Поскольку они стали недоступны окислению, то происходила своеобразная экономия кислорода, и его объем в атмосфере становился больше.

Побег от кислорода

Часть организмов сумела приспособиться и даже извлечь пользу из наличия в атмосфере кислорода. Однако большинство организмов не вынесло изменений условий жизни и вымерло. Некоторые виды живых существ спаслись тем, что спрятались от кислорода в глубокие щели и прочие укромные места. Многие и сегодня счастливо живут в корнях бобовых, улавливают из атмосферы газообразный азот и используют его для синтеза аминокислот (строительных блоков белка) растений.

Бактерия ботулизма

Бактерия ботулизма — другой беглец от кислорода. Она содержится в мясе, рыбе, растениях. Если в процессе их приготовления, палочка ботулизма не уничтожена высокой температурой при варке, то она может затем интенсивно размножиться в консервах, которые приготовлены из перечисленных продуктов.

Это происходит потому, что в консервные банки нет доступа воздуха. Если употребить в пищу зараженные палочками ботулизма продукты, можно опасно заболеть.

Кислород на Земле – интересное видео

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Первый внегалактический молекулярный кислород нашелся в ближайшем квазаре

J. Wang et al. / Astrophysical Journal, 2020

Ученым удалось впервые получить надежные свидетельства наличия молекулярного кислорода O₂ за пределами Млечного Пути. Редкую в космосе форму вещества обнаружили в активной галактике Маркарян 231, где находится ближайший к Земле квазар. Наблюдения излучения O₂ могут стать новым методом изучения мощных галактических ветров, пишут авторы в Astrophysical Journal.

Кислород — это третий по распространенности во Вселенной элемент после водорода и гелия. В процессе первичного нуклеосинтеза его практически не образовывалась, но он в больших количествах накапливается в недрах звезд, а после завершения их жизни может попадать в межзвездную среду.

Линии атомарного кислорода хорошо известны в спектрах многих астрономических объектов. Также во Вселенной в обильных количествах встречается угарный газ CO, который оказывается второй по распространенности молекулой в межзвездной среде после водорода. Тем не менее, молекулярный кислород в космосе практически не наблюдается.

Так происходит из-за высокой химической активности данного элемента, благодаря которой он быстро реагирует с другими веществами. В то же время для появления молекул среда должна быть достаточно плотной, где реакции с высокой вероятностью произойдут. Более того, многие соединения кислорода, такие как вода, намерзают на составляющих межзвездную пыль твердых частицах, в результате чего они перестают эффективно излучать в спектральных линиях.

Одно из немногих мест вне Солнечной системы, где найден молекулярный кислород, — туманность Ориона, плотная область звездообразования. Однако оценки его содержания как минимум в сто раз не дотягивают до теоретических химических моделей полностью газообразных сред. Считается, что там вещество возникло в результате воздействия порожденной молодыми звездами ударной волны.

Цзюньчжи Ван (Junzhi Wang) из Китайской академии наук и его коллеги из Великобритании, Китая и США впервые нашли надежные свидетельства существования молекулярного кислорода за пределами Млечного Пути — в активной галактике Маркарян 231. Авторы обнаружили с высокой достоверностью линию излучения вещества на частоте 118,75 гигагерц (2,52 миллиметра) в лабораторной системе отсчета.

Маркарян 231 относится к классу сейфертовских галактик, а ее ядро представляет собой квазар, причем самый близкий к Земле — расстояние до него составляет 167 мегапарсек (красное смещение z = 0,04217). Эта галактика также очень активно производит новые звезды, примерно в сто раз интенсивнее Млечного Пути, а суммарная масса истечений достигает 700 масс Солнца в год.

По уширению линии астрономы определили скорость движения вещества, которая оказалась около 450 километров в секунду. Излучение наблюдается на расстоянии примерно в десять килопарсек от центра галактики, но внутри ее диска, где могут формироваться новые светила.

Ученые предполагают, что процессы в изученной галактике могут быть похожи на ситуацию в туманности Ориона на больших масштабах. В таком случае быстрые потоки вещества из активного ядра и ударные волны внутри них не позволяют кислороду и его соединениям осесть на пылинках, возвращая их в газовую фазу.

Авторы заключают, что излучение молекулярного кислорода может стать основой нового метода изучения истечений из активных ядер галактик. По исследованиям линий угарного газа известно, что такие потоки содержат большие количества молекул, но свечение самого CO может возникать и в других компонентах галактики, а излучением молекулярного кислорода от облаков в диске можно пренебречь.

Ранее астрономы заполнили пробел в эволюции галактик «холодными квазарами», обнаружили шестикратное изображение квазара в гравитационной линзе и зафиксировали превышение разрешенного уровня яркости у первого открытого квазара.

Источник

Кислород существовал во Вселенной почти с ее рождения, выяснили ученые

МОСКВА, 17 июн – РИА Новости. Наблюдения за одной из древнейших галактик показали, что кислород появился во Вселенной практически через мгновения после ее рождения, что увеличивает наши шансы на обнаружение внеземного разума и жизни, заявляют ученые в статье, опубликованной в журнале Science.

«Полученные нами результаты показывают, что эта галактика содержит в себе примерно десятую долю кислорода, который содержится в нашем Солнце. Подобное небольшое количество объясняется тем, что Вселенная была молодой, и за время ее существования успело родиться и умереть относительно небольшое число поколений звезд», — заявил Наоки Йосида (Naoki Yoshida) из университета Токио (Япония).

Йосида и его коллеги совершили это открытие, наблюдая за галактиками, существовавшими во время так называемой эпохи реионизации – одного из первых периодов жизни Вселенной, когда она постепенно становилась прозрачной благодаря тому, что свет ее первых звезд разрушал молекулы нейтрального водорода и превращал их в ионы.

Подобные галактики находятся так далеко от нас (на расстоянии в 13,1-13,4 миллиарда световых лет), что наблюдения за ними возможны только при помощи самых мощных телескопов, таких как орбитальная обсерватория «Хаббл» и наземный микроволновый телескоп-интерферометр ALMA.

Используя эти телескопы, команда Йосиды обнаружила необычную галактику — SXDF-NB1006-2, которую мы видим в том состоянии, в каком она находилась примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва, в самом конце эпохи реионизации. Ее необычность заключалась в ее уникальном «зеленом» спектре, указывающем на присутствие одного из важнейших элементов жизни – кислорода.

Источник