Nasza planeta to złożony system, który rozwija się dynamicznie od ponad 4,5 miliarda lat. Wszystkie składniki tego systemu (ciało stałe Ziemi, hydrosfera, atmosfera, biosfera), oddziałując ze sobą, nieustannie zmieniały się w złożonym, czasem nieoczywistym związku. Współczesna Ziemia jest pośrednim wynikiem tej długiej ewolucji.
Jeden z najważniejszych elementów systemu, jakim jest Ziemia - atmosfera, która jest w bezpośrednim kontakcie z litosferą, ze skorupą wodną, z biosferą i promieniowaniem słonecznym. Na niektórych etapach rozwoju naszej planety atmosfera uległa bardzo znaczącym zmianom o dalekosiężnych konsekwencjach. Jedna z takich globalnych zmian nazywa się katastrofą tlenową. Znaczenie tego wydarzenia w historii Ziemi jest wyjątkowo duże. W końcu to z nim był związany dalszy rozwój życia na planecie.
Co to jest katastrofa tlenowa
Termin ten powstał na początku drugiej połowy XX wieku, kiedy na podstawie badań procesów sedymentacji prekambryjskiejwniosek o nagłym wzroście zawartości tlenu do 1% jego aktualnej ilości (punkty Pasteura). W rezultacie atmosfera nabrała stale utleniającego charakteru. To z kolei doprowadziło do rozwoju form życia, które wykorzystują znacznie wydajniejsze oddychanie tlenowe zamiast fermentacji enzymatycznej (glikolizy).
Współczesne badania znacznie ulepszyły istniejącą wcześniej teorię, pokazując, że zawartość tlenu na Ziemi zarówno przed, jak i po granicy archeanu i proterozoiku ulegała znacznym wahaniom i ogólnie historia atmosfery jest znacznie bardziej skomplikowana niż wcześniej myśl.
Starożytna atmosfera i działalność prymitywnego życia
Pierwotnego składu atmosfery nie można ustalić z absolutną dokładnością i jest mało prawdopodobne, aby był stały w tamtej epoce, ale jasne jest, że był on oparty na gazach wulkanicznych i produktach ich interakcji ze skałami powierzchni ziemi. Znamienne, że wśród nich nie mogło być tlenu - nie jest to produkt wulkaniczny. Wczesna atmosfera była więc regenerująca. Prawie cały tlen atmosferyczny jest pochodzenia biogenicznego.
Warunki geochemiczne i nasłonecznienie prawdopodobnie przyczyniły się do powstania mat - warstwowych zbiorowisk organizmów prokariotycznych, a niektóre z nich mogły już przeprowadzać fotosyntezę (najpierw anoksygenną, np. opartą na siarkowodorze). Dość szybko, najwyraźniej już w pierwszej połowie archaiku, sinice opanowały wysokoenergetyczną fotosyntezę tlenową,który stał się sprawcą procesu, który otrzymał nazwę katastrofy tlenowej na Ziemi.
Woda, atmosfera i tlen w Archainie
Należy pamiętać, że prymitywny krajobraz wyróżniał się przede wszystkim tym, że mało zasadne jest mówienie o stabilnej granicy ląd-morze dla tej epoki ze względu na intensywną erozję lądu spowodowaną brakiem roślin. Bardziej słuszne byłoby wyobrażenie sobie rozległych obszarów często zalewanych wysoce niestabilną linią brzegową, takie były warunki dla istnienia mat sinicowych.
Uwalniany przez nich tlen - produkty odpadowe - dostał się do oceanu i do niższych, a następnie do górnych warstw ziemskiej atmosfery. W wodzie utleniał rozpuszczone metale, głównie żelazo, w atmosferze - gazy, które były jej częścią. Ponadto przeznaczono go na utlenianie materii organicznej. Nie doszło do nagromadzenia tlenu, wystąpił jedynie lokalny wzrost jego stężenia.
Długie tworzenie atmosfery utleniającej
Obecnie przypływ tlenu w końcu archaiku jest związany ze zmianami w reżimie tektonicznym Ziemi (utworzeniem prawdziwej skorupy kontynentalnej i powstaniem tektoniki płyt) oraz zmianą charakteru aktywności wulkanicznej spowodowaną przez ich. Spowodowało to zmniejszenie efektu cieplarnianego i długie zlodowacenie Hurona, które trwało od 2,1 do 2,4 mld lat. Wiadomo również, że po skoku (około 2 miliardy lat temu) nastąpił spadek zawartości tlenu, którego przyczyny są nadal niejasne.
Przez prawie cały proterozoik, do 800 milionów lat temu, stężenie tlenu w atmosferze wahało się, pozostając jednak średnio bardzo niskie, choć już wyższe niż w archaiku. Zakłada się, że tak niestabilny skład atmosfery wiąże się nie tylko z aktywnością biologiczną, ale także w dużej mierze ze zjawiskami tektonicznymi i reżimem wulkanizmu. Można powiedzieć, że katastrofa tlenowa w historii Ziemi trwała prawie 2 miliardy lat - nie było to wydarzenie, ale długi złożony proces.
Życie i tlen
Pojawienie się wolnego tlenu w oceanie i atmosferze jako produktu ubocznego fotosyntezy doprowadziło do rozwoju organizmów tlenowych zdolnych do asymilacji i wykorzystywania tego toksycznego gazu w życiu. To częściowo wyjaśnia fakt, że tlen nie gromadził się przez tak długi czas: formy życia pojawiły się dość szybko, aby go wykorzystać.
Wybuch tlenu na granicy archaiku i proterozoiku koreluje z tak zwanym zdarzeniem Lomagundi-Yatulian, anomalią izotopową węgla, która przeszła przez cykl organiczny. Możliwe, że ten wzrost doprowadził do powstania wczesnego życia tlenowego, czego przykładem jest biota Francville datowana na około 2,1 miliarda lat temu, która obejmuje przypuszczalnie pierwsze prymitywne organizmy wielokomórkowe na Ziemi.
Wkrótce, jak już wspomniano, zawartość tlenu spadła, a następnie oscylowała wokół dość niskich wartości. Może błysk życia, który spowodował zwiększone zużycie tlenu,który był jeszcze bardzo mały, odegrał pewną rolę tej jesieni? Jednak w przyszłości musiały powstać pewnego rodzaju „kieszonki tlenowe”, w których życie tlenowe istniało dość komfortowo i podejmowało wielokrotne próby „osiągnięcia poziomu wielokomórkowego”.
Konsekwencje i znaczenie katastrofy tlenowej
Więc globalne zmiany w składzie atmosfery nie były, jak się okazało, katastrofalne. Jednak ich konsekwencje naprawdę radykalnie zmieniły naszą planetę.
Pojawiły się formy życia, które swoją aktywność życiową budują na wysoce wydajnym oddychaniu tlenowym, co stworzyło warunki wstępne dla późniejszej jakościowej komplikacji biosfery. Z kolei nie byłoby to możliwe bez powstania warstwy ozonowej atmosfery ziemskiej – kolejnej konsekwencji pojawienia się w niej wolnego tlenu.
Ponadto wiele organizmów beztlenowych nie mogło przystosować się do obecności tego agresywnego gazu w swoim środowisku i wymarło, podczas gdy inne były zmuszone ograniczyć się do życia w beztlenowych „kieszeni”. Według symbolicznego wyrażenia sowieckiego i rosyjskiego naukowca, mikrobiologa G. A. Zavarzina, biosfera „wywróciła się na lewą stronę” w wyniku katastrofy tlenowej. Konsekwencją tego było drugie wielkie wydarzenie tlenowe pod koniec proterozoiku, które doprowadziło do ostatecznego powstania życia wielokomórkowego.
