Jak powstała tlenowa atmosfera Ziemi?

Dzisiejsza, bogata w tlen atmosfera Ziemi stanowi ewenement na skalę całego Układu Słonecznego. Ziemskie powietrze nie zawsze jednak było przesycone życiodajnym tlenem.

Gdyby nie działalność najstarszych organizmów żywych, zasiedlających naszą planetę i produkujących tlen w drodze fotosyntezy, to skład atmosfery znacząco odbiegałby od dzisiejszego stanu. Oddychanie tlenowe, które umożliwia nam przeżycie, nie byłoby w ogóle możliwe.

Pierwotna atmosfera

Jaki skład miała pierwotna atmosfera Ziemi? Wiadomo na pewno, że nie było w niej tlenu. Wskazują na to następujące przesłanki:

• obecność skał osadowych zawierających minerały ulegające rozkładowi w warunkach tlenowych; jednym z takich minerałów jest piryt (tak zwane złoto głupców);
• dane izotopowe; proporcje izotopów różnych pierwiastków pozwalają na stwierdzenie, czy w atmosferze znajdował się tlen; dzięki temu wiemy, że w archaiku (a zatem do 2,7 mld lat temu) tlen występował w znikomych ilościach;
• skład atmosfer innych planet krążących wokół Słońca; powietrze, którym oddychamy nie ma swojego odpowiednika w naszym układzie planetarnym.

Jakie gazy tworzyły pierwotną atmosferę? Wydaje się, że był to przede wszystkim dwutlenek węgla, azot oraz para wodna, którym towarzyszył tlenek węgla i wodór.

Starsze modele pierwotnej atmosfery ziemskiej zakładały duży udział metanu i amoniaku, a także wodoru. Taki skład wykorzystano zresztą w eksperymencie Millera – pierwszej próbie odtworzenia warunków panujących na powierzchni Ziemi na krótko po jej uformowaniu się. Doświadczenie to miało ponadto na celu ustalenie, w jaki sposób powstały cząsteczki budujące organizmy żywe oraz samo życie.

Dokładny skład pierwotnej atmosfery może być trudny do oszacowania, ale jedno jest pewne – w powietrzu prawie w ogóle nie było tlenu. Pojawił się on dopiero u schyłku archaiku, a stał się istotnym składnikiem w paleoproterozoiku, począwszy od 2,5 mld lat temu.

Wielkie zdarzenie oksydacyjne

W skałach liczących sobie około 2,5-2,0 miliarda lat zapisane zostały informacje o ważnych zmianach, które zachodziły w tym okresie w ziemskiej atmosferze. Wszystkie te zjawiska określane są mianem wielkiego zdarzenia oksydacyjnego (ang. Great Oxygenation Event, w skrócie GOE).

Żadna z zachodzących wówczas zmian nie byłaby możliwa, gdyby nie dopływ do atmosfery dużych ilości tlenu. Słowo “dużych” może być mylące. Choć objętościowo dopływ tlenu był olbrzymi, to jednak udział tego pierwiastka w powietrzu nadal nie przekraczał procenta. Tym niemniej nawet zawartość liczona w promilach całkowicie przeobraziła oblicze Ziemi.

Wśród zmian, które stanowiły efekt wielkiego zdarzenia oksydacyjnego, najważniejsze to:

• zanik piasków uraninitowych i pirytowych; uraninit oraz piryt ulegają szybkiemu utlenieniu; piaski składające się z ziaren tych dwóch minerałów zanikły podczas wielkiego zdarzenia oksydacyjnego; oznacza to, że tlenu w powietrzu było już wówczas na tyle dużo, by mógł on doprowadzić do rozpadu pirytu i uraninitu;
• powszechne występowanie wstęgowych złóż żelaza (BIF); wskazują one na obecność tlenu w oceanach; nasycenie wód wszechoceanu tlenem było konieczne, by pierwiastek ten zaczął przedostawać się do atmosfery; naukowcy są zgodni, że zmiana składu powietrza nastąpiła później niż w przypadku oceanów;
• coraz częstsze występowanie hematytu; minerał ten powstaje w efekcie utleniania innych związków żelaza; proces ten nie byłby możliwy, gdyby nie było tlenu;
• pojawienie się pierwszych zlodowaceń; ich geneza nie jest jasna; przypuszczalnie istniał jednak związek pomiędzy zastępowaniem w atmosferze dwutlenku węgla poprzez tlen, a ochłodzeniem klimatu – udział gazów cieplarnianych uległ bowiem redukcji, a to mogło doprowadzić do powstania pokrywy lodowej;
• ekspansja bardziej zaawansowanych form życia; utlenienie związków azotu do azotanów otworzyło nowe perspektywy dla wykorzystujących azotany organizmów eukariotycznych; istnienie tlenowej atmosfery również stanowiło nowy bodziec ewolucyjny; w efekcie około 2,1 mld lat temu pojawiły się nowe, wielokomórkowe organizmy, znacznie przekraczające wielkością wcześniejsze skamieniałości (El Albani et al., 2010).

Wymienionym zmianom towarzyszyły też inne, trudniejsze do zaobserwowania w zapisie geologicznym, ale stanowiące logiczną i pewną konsekwencję pojawienia się tlenu w powietrzu. Życiodajny pierwiastek nie tylko umożliwia oddychanie tlenowe, ale chroni też (tworząc ozon) przed zabójczym promieniowaniem ultrafioletowym docierającym do Ziemi z kosmosu.

Pierwotna atmosfera naszej planety nie stanowiła ochrony przed promieniowaniem niebezpiecznym dla organizmów. W efekcie utrudniało to ekspansję życia w płytkich morzach oraz na lądach. W czasach przed powstaniem tlenowej atmosfery jedyną ochronę stanowiła bowiem głęboka woda. Szkodliwe promieniowanie zanikało dopiero na głębokości około 10 metrów. Lądy i jeziora nie były zatem tak przyjazne i bezpieczne, jak po wielkim zdarzeniu oksydacyjnym.

Pochodzenie tlenu atmosferycznego

Skąd pochodził tlen, który całkowicie przeobraził atmosferę i oblicze Ziemi? Naukowcy nie mają wątpliwości: był to efekt procesu fotosyntezy.

Za pojawieniem się tlenu stoją zatem organizmy żywe. Ich stały rozwój systematycznie zwiększał procentową zawartość życiodajnego pierwiastka, najpierw w wodach oceanicznych – gdzie powstało życie – a następnie w powietrzu.

Powstanie tlenowej atmosfery miało z kolei ogromny wpływ na dalszą ewolucję organizmów. Niewykluczone, że przyspieszyło pojawienie się eukariotów, a także pierwszych makroskopowych (widocznych gołym okiem) wielokomórkowców. Historia zatoczyła w ten sposób koło. A życie, które doprowadziło do powstania tlenowej atmosfery, stało się zarazem jej wielkim beneficjentem.

Warto przeczytać:

A. El Albani et al., 2010. Large colonial organisms with coordinated growth in oxygenated environments 2.1 Gyr ago. Nature 466, 100-104. DOI: 10.1038/nature09166

H. D. Holland, 2006. The oxygenation of the atmosphere and oceans. Phil. Trans. R. Soc. B 361, 903–915. DOI: 10.1098/rstb.2006.1838