Wzrost tlenu na Ziemi wspierało powstawanie superkontynentów
Jak do tego doszło, że poziom tlenu na Ziemi wzrósł do tak znaczącej ilości i kiedy się to stało? Te pytania od wielu lat są przedmiotem zainteresowania badaczy historii naszej planety. Nowa teoria łączy rozwój tlenowego życia na Ziemi z uwalnianiem się cennych dla życia substancji chemicznych podczas silnych ruchów tektonicznych.
Tlen jest kluczowym pierwiastkiem dla życia, które nas otacza. Ale Ziemia nie zawsze była planetą bogatą w ten pierwiastek. Jak to się stało, że poziom tlenu osiągnął poziom 21 procent składu atmosfery i utrzymuje się mniej więcej na takim poziomie? Większość naukowców przyjmuje koncepcję, wedle której 2,4 miliarda lat temu ilość tlenu w atmosferze ziemskiej gwałtownie wzrosła, by potem intensywnie się obniżać przez kolejne kilkaset milionów lat. Nazywam ten czas – między 2,4 a 2 miliardy lat temu – Katastrofą tlenową, a w wersji angielskiej - Great Oxidation Event (GOE, wielkim wydarzeniem tlenowym). W tym czasie pierwsze organizmy mające zdolność do fotosyntezy wytworzyły znaczącą ilość tlenu, co doprowadziło do wyginięcia większości dominujących wtedy bakterii beztlenowych. Dla nich tlen był trucizną, a proces, który je dotknął, część badaczy nazywa pierwszym wielkim wymieraniem.
Zespół geologów z University of Tasmania we współpracy z dwoma amerykańskimi uczelniami, zaproponował jednak inną opowieść na temat początków tlenowego bogactwa naszej planety. Zdaniem tych naukowców wzrost poziomu tlenu był bardzo długim procesem, trwającym od 2,8 do 1,8 miliarda lat temu i odbył się w powiązaniu z kolizjami płyt tektonicznych, w wyniku których powstawały pierwsze superkontynenty.
Wedle tej teorii minął miliard lat, w czasie których przybywało tlenu w atmosferze ziemskiej, zanim około 1,9 miliarda lat temu ustalił się mniej więcej taki poziom, jaki obserwujemy współcześnie, czyli do 21 procent składu atmosfery. Nowa teoria jest także ugruntowana w geologicznych ustaleniach dotyczących minerałów. Badacze zauważają, że pewne typy metali, znajdujące się dziś w skorupie ziemskiej, powstawały przez utlenienie, a więc mogły się rozwinąć dopiero, kiedy na Ziemi było dość dużo tlenu.
Zespół badaczy z kilku jednostek – Uniwersytetu Tasmańskiego, Uniwersytetu w Toronto i waszyngtońskiej Carnegie Institution for Science – przez ponad 15 ostatnich lat zebrał potężny materiał badawczy – kilkanaście tysięcy próbek minerałów z różnych okresów geologicznych. Przez ten czas rozwinęły się nowe techniki badawcze, umożliwiające coraz dokładniejsze niż obszerniejsze analizy.
– Większość wcześniejszych badań zajmujących się tym zagadnieniem opartych było na mniejszej liczbie analiz, a braki pomiędzy nimi uzupełniane były przez modelowanie komputerowe – opisuje sytuację prof. Ross R. Large, pierwszy autor opisywanych tu badań – a to zwykle prowadzi do uproszczonych interpretacji, nie uwzględniających cykliczności i zmienności tego, co działo się na Ziemi w czasie geologicznym.
Te nowe badania, zdaniem prof. Large, są znacznie bardziej dopracowane pod tym kątem. Kluczowe jest pokazanie, jakim innym zmianom towarzyszyło zwiększanie się ilości tlenu. Niezwykle istotne dla rozwoju życia, jakim je znamy było między innymi obniżanie się ilości dwutlenku węgla i metanu, równoczesne z wzbogacaniem się atmosfery w tlen.
– Archeozoiczny ocean, dawniejszy niż 2,6 miliarda lat temu, był bogaty w takie toksyczne substancje, jak arszenik czy rtęc, a więc bardzo niegościnny dla życia, jakie znamy – wyjaśnia dalej prof. Large. – Nasze badania pokazują, że wraz ze wzrostem ilości tlenu chemia oceanu się zmienia. Toksyczne substancje ustępują miejsca pierwiastkom istotnym dla życia, takim jak fosfor, molibden i cynk.
Zasadnicza zmiana, podkreślają autorzy publikacji, wyraźnie związana jest z pierwszymi ruchami kontynentów. Wydarzenie (trwające setki milionów lat), które doprowadziło do pierwszej fragmentacji masy lądowej i powstania kontynentów, miało też ogromny wpływ na zmianę składu chemicznego oceanów. Górom, rosnącym podczas zderzeń płyt tektonicznych Ziemi, towarzyszyło uwalnianie się do oceanów ogromnych ilości składników odżywczych dla rozwijającego się tam życia. To stymulowało jego rozwój, a tym samym wzrost ilości tlenu w atmosferze. Widać to szczególnie wyraźnie w dwóch okresach – 2,8 miliarda lat temu, kiedy kształtował się superkontynent Kenorland i 2,1 miliarda lat temu, gdy powstawał superkontynent Kolumbia.
Badania źródłowe:
More information: Ross R. Large et al, Evidence that the GOE was a prolonged event with a peak around 1900 Ma, Geosystems and Geoenvironment (2022). DOI: 10.1016/j.geogeo.2022.100036
Opracowano na podstawie artykułu Ancient oxygen levels provide clues to the timing of life and death on Earth opublikowanego na portalu Phys.org
