Wielkie zdarzenie oksydacyjne
Bardzo dawna historia Ziemi jest fascynująca i choć dowiedzieliśmy się już wiele o odległej przeszłości, nadal brakuje nam wielu kawałków układanki. Nowe badanie dodaje do naszego rozumienia największego wydarzenia w historii Ziemi – Wielkiego Zdarzenia Oksydacyjnego – a także pomaga lepiej uporządkować inne wielkie wydarzenia z przeszłości.
Ziemia, jak wiemy, powstała około 4,5 miliarda lat temu. Ziemia jest właściwie Ziemią 2.0 – w proto-Ziemię uderzył obiekt wielkości Marsa, tworząc zarówno obecną Ziemię, jak Księżyc. Ziemia była wówczas dość stopiona, nadal gorąca od wszystkich uderzeń, ale przez kolejne miliony lat powierzchnia Ziemi ostygła, na powierzchni utworzyły się stabilne jeziora płynnej wody i miała stabilną atmosferę, głównie składającą się z azotu. W tym środowisku powstało życie. Nie jesteśmy pewni, kiedy, ale prawdopodobnie 3,5 miliarda lat temu. Istnieją dobre dowody, że sinice istniały 2,9 miliardów lat temu. Te stworzenia są ważne, ponieważ tworzą swój pokarm ze światła słonecznego i produkują tlen jako odpad. Przez miliony lat oceany pełne sinic produkowały tlen, który nabudowywał się w atmosferze.
I tym zajmuje się nowe badanie – docieka, kiedy dokładnie tlen osiągnął wysokie poziomy. Obecna atmosfera składa się (z grubsza) z 78% azotu, 21 procent tlenu, 0,04 % dwutlenku węgla i śladowych ilości metanu i innych gazów. Przed około 2,45 miliarda lat temu w zasadzie było zero tlenu w atmosferze. Między 2,45 a 1,85 miliardów lat temu tlen nabudowywał się powoli w atmosferze do 3-5%, ale głównie absorbowały go oceany i podmorskie skały. To jest Wielkie Wydarzenie Oksydacyjne – nadal za mało tlenu według dzisiejszych standardów, ale wystarczająco, by wprowadzić wielką zmianę w chemii Ziemi.
Od 1,85 do 0,85 miliarda lat temu tlen nasycił oceany i teraz szerzył się na lądzie, gdzie nadal absorbowały go skały i minerały. W tym czasie poziomy atmosferycznego O2 były dość stabilne dochodząc do 3-5%. Potem jednak, zaczynając od 0,85 miliarda lat temu, powierzchnia Ziemi zaabsorbowała cały tlen, jaki mogła i O2 zaczął nabudowywać się znacząco w atmosferze, ze szczytem około 400 milionów lat temu do ponad 30%, by potem spaść do obecnych 21%. Poziomy tlenu obecnie powoli i stale obniżają się.
Wróćmy do 2,45 miliarda lat temu, kiedy poziomy tlenu zaczęły się podnosić. Poprzednio sądzono, że kiedy raz poziom tlenu zaczął podnosić się, ten proces był stabilny i ciągły. Nowe badanie sugeruje jednak, że ten wczesny okres oksydacji był niestabilny, z poziomami tlenu załamującymi się wiele razy. Oksydacja ustabilizowała się dopiero 100 milionów lat później niż sądzono poprzednio. Ma to implikacje dla innego aspektu historii Ziemi – globalnych temperatur. Mniej więcej w tym samym czasie mieliśmy cztery epizody “Ziemi śnieżki” - okresy zlodowacenia planety z całą powierzchnią Ziemi pokrytą śniegiem i lodem, włącznie z oceanami, a każdy trwał miliony lat. Sądzi się, że te epizody zdarzyły się z powodu wzrostu ilości tlenu. Zmieniło to skład chemiczny atmosfery, zmniejszając ilość CO2 i metanu, gazów cieplarnianych. Ten spadek wepchnął Ziemię w chłodzącą spiralę. Planeta nie mogła wydostać się z każdego z tych okresów zlodowaceń dopóki nie nagromadziło się dosyć CO2 z wulkanów.
To nowe badanie rozwiązuje istniejącą poprzednio zagadkę. Początkowo sądzono, że było jedno wydarzenie oksydacyjne które wywołało zlodowacenie, ale w takim razie, dlaczego były cztery okresy zlodowaceń? Nowe dane sugerują, że było wiele zdarzeń oksydacyjnych, prawdopodobnie wywołujących wiele zlodowaceń, aż oksydacja wreszcie stała się permanentna. Teraz wydarzenia oksydacyjne i zlodowacenia lepiej pasują do siebie w czasie.
Jednak pojawia się kolejne pytanie – co spowodowało fluktuację wydarzeń oksydacyjnych? Najbardziej prawdopodobną odpowiedzią jest sama przyczyna oksydacji – życie. Sinice tworzyły tlen, ale robiąc to, tworzyły środowisko dla nich trujące. Wepchnęły także własny świat w głębokie zamrożenie. To mogło wywołać masowe wymieranie, co pozwalało CO2 na ponowne nabudowanie się i rozmrożenie Ziemi, po którym następowała kolejna oksydacja i ponowne zamrożenie. Ten cykl powtórzył się cztery razy zanim się wreszcie ustabilizował.
Co innego jednak stało się tym ostatnim razem? Może poziomy wulkanicznego CO2 nabudowały się wystarczająco, by uniknąć zlodowacenia mimo wzrostu tlenu. Może jednak odpowiedzią znowu jest życie. Po tym okresie fluktuacji były miliardy lat stabilności z atmosferycznym O2 na poziomie 3-5% i stabilnym klimatem. Może życie tym razem także było w równowadze. Organizmy wytwarzały tlen, ale może inne organizmy zjadały je, oddychały tlenem i produkowały CO2. Trudno powiedzieć, ponieważ nadal tworzono nadmiar tlenu, który absorbowały ziemskie rezerwuary. To wszystko działo się także przed czasem, z którego mamy dowody na życie wielokomórkowe. Eksplozja kambryjska zdarzyła się około 300 milionów lat po tym, jak poziom tlenu znowu zaczął się podnosić, dochodząc niemal do obecnych poziomów. Być może fauna edikarańska działała (wielokomórkowe życie mogło wyewoluować w życie kambryjskie).
Nadal jest wiele pytań. Widzimy jednak wyraźnie interakcję między biochemią życia, geologiczną i atmosferyczną chemią i klimatem. To są długoterminowe trendy rozgrywające się na przestrzeni co najmniej milionów, a czasami miliardów lat. Ale obraz odległej historii Ziemi stał się nieco bardziej ostry.
NeuroLogica Blog, 5 kwietnia 2021
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
Neurolog, wykładowca na Yale University School of Medicine. Przewodniczący i współzałożyciel New England Skeptical Society. Twórca popularnych (cotygodniowych) podkastów o nauce The Skeptics’ Guide to the Universe. Jest również dyrektorem Science-Based Medicine będącej częścią James Randi Educational Foundation (JREF), członek Committee for Skeptical Inquiry (CSI) oraz członek założyciel Institute for Science in Medicine. Prowadzi blog Neurologica.