Historia tlenu na Ziemi
Ziemia powstała jakieś 4,5 miliarda lat temu. Niemniej, musiało minąć dużo czasu, zanim znaczącą część jej atmosfery zaczął stanowić tlen. Dokładniej mówiąc, dopiero około 2,43 miliarda lat temu zaczęło się cokolwiek w tej kwestii dziać – poziom tlenu zaczął na zmianę wzrastać i spadać, czemu towarzyszyły poważne zmiany klimatyczne, w tym kilka zlodowaceń, podczas których lód skuł niemal cały glob.
Chemiczne sygnatury zamknięte w skałach, które powstały podczas omawianej epoki, sugerowały, że około 2,32 miliarda lat temu tlen w końcu na stałe został składnikiem naszej atmosfery. Niemniej, nowe badania dotyczące nieco późniejszego okresu pokazały, że poziom tlenu w atmosferze wahał się aż do momentu 2,22 miliarda lat temu. Zatem, wygląda na to, że wielkie przemiany środowiska Ziemi określane mianem Katastrofy tlenowej (ang. Great Oxidation Event) trwały 100 milionów lat dłużej, niż uważano.
Zasługa cyjanobakterii
Źródłem tlenu, który zaczął wypełniać atmosferę podczas Katastrofy tlenowej, były morskie cyjanobakterie, które wytwarzały energię na drodze fotosyntezy. Tak się składa, że głównym produktem ubocznym fotosyntezy jest tlen. Wczesne cyjanobakterie wytworzyły go na tyle dużo, by na zawsze zmienić oblicze planety.
O tym, jakie przemiany zachodziły w ziemskiej atmosferze 2,5 do 2,2 miliarda la temu, świadczą morskie skały osadowe. Skały osadowe z czasów atmosfery beztlenowej zawierają pewne izotopy siarki. Wraz ze wzrostem ilości tlenu w atmosferze izotopy siarki stopniowo znikały ze skał osadowych, ponieważ reakcje chemiczne, za sprawą których powstają, nie zachodzą w obecności tlenu.
Autorzy pracy opublikowanej w PNAS od dawna badają izotopy siarki w skałach osadowych. Z czasem ci zauważyli, że wzrostom i spadkom stężenia tlenu w atmosferze odpowiadały trzy globalne zlodowacenia, które miały miejsce w okresie od 2,5 do 2,2 miliarda lat temu. Dziwne było jednak to, że czwarte i ostatnie zlodowacenie, do którego wówczas doszło, nie było powiązane z wahaniami poziomu tlenu.
By rozwiązać zagadkę ostatniego z wymienionych zlodowaceń, naukowcy zbadali młodsze skały z Afryki Południowej. Mowa o skałach, które powstały w ostatnim etapie Katastrofy tlenowej, w okresie od trzeciego zlodowacenia do 2,2 miliarda lat temu. W rezultacie odkryto, że po trzecim zlodowaceniu atmosfera początkowo była niemal całkowicie wolna od tlenu, następnie ilość tlenu wzrosła, po czym ponownie spadła. Kolejny wzrost nastąpił 2,32 miliarda lat temu – w momencie, który dotychczas uważano za początek stałej atmosfery bogatej w tlen. Niemniej w młodszych skałach zauważono kolejny spadek stężenia tlenu. Ten spadek zbiegł się z ostatnim zlodowaceniem, które wcześniej nie było wiązane ze zmianami atmosferycznymi.
Tlen w atmosferze a wulkany
Naukowcy wciąż zastanawiają się, co w omawianym czasie spowodowało te wszystkie atmosferyczne fluktuacje. Mają oni jednak pewne pomysły. Ich zdaniem kluczową rolę w poruszanym procesie odkrywał metan – gaz cieplarniany, który zatrzymuje ciepło skuteczniej niż dwutlenek węgla.
Dzisiaj metan odgrywa niewielką rolę w ocieplaniu się klimatu w porównaniu do dwutlenku węgla, ponieważ metan reaguje z tlenem i znika z atmosfery w ciągu dekady, podczas gdy dwutlenek węgla pozostaje w niej na setki lat. Kiedyś, gdy w atmosferze nie było tlenu albo było go bardzo mało, metan pozostawał w niej znacznie dłużej i był istotnym gazem cieplarnianym.
Gdy cyjanobakterie zaczęły produkować na Ziemi tlen, ten reagował z metanem znajdującym się wówczas w atmosferze, pozostawiając w niej, spośród ważnych gazów cieplarnianych, tylko dwutlenek węgla. Ten samodzielnie nie powodował jednak takiego efektu cieplarnianego jak metan, zatem planeta zaczęła się ochładzać, a coraz większe połacie jej powierzchni zaczynał pokrywać lód.
Przed permanentnym zamarznięciem Ziemię ratowały wulkany. Ostatecznie aktywność wulkaniczna powodowała wzrost stężenia dwutlenku węgla na tyle wysoki, by ponownie ogrzać planetę, jednak produkcja tlenu w oceanach pokrytych lodem tymczasowo była zmniejszona z powodu ograniczonego nasłonecznienia cyjanobakterii. W związku z tym metan z wulkanów i mikroorganizmów zaczął znowu gromadzić się w atmosferze, jeszcze bardziej ją ogrzewając.
Co ciekawe, wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze miał dodatkowy skutek – spowodował powstawanie kwaśnych deszczy, które rozpuszczały skały szybciej niż woda o neutralnym pH. W rezultacie do oceanów docierało więcej składników odżywczych takich jak fosfor, za sprawą których produktywność cyjanobakterii wzrosła. Te z czasem wyprodukowały takie ilości tlenu, że cały cykl został powtórzony.
Ostatecznie, jakieś 2,2 miliarda lat temu tlen pozostał w atmosferze Ziemi na stałe. Nie wiadomo dokładnie, dlaczego stało się tak właśnie wtedy, ale badacze podejrzewają, że aktywność wulkaniczna w tym okresie zapewniła nowy dopływ składników odżywczych do oceanów, ostatecznie dając cyjanobakteriom wszystkiego czego potrzebowały do rozwoju. Wtedy poziom tlenu musiał stać się wystarczająco wysoki, by na stałe stłumić nadmierny wpływ metanu na klimat i sprawić, by to dwutlenek węgla był dominującym gazem cieplarnianym utrzymującym ciepło w atmosferze Ziemi.
Źródło: PNAS, fot. tyt. Canva