Lielais skābekļa notikums (GOE): kā cianobaktērijas oksigenizēja Zemi
GOE: kā cianobaktērijas radīja brīvo skābekli un pārveidoja Zemi — skaidrojums par fotosintēzi, dzelzs nogulsnēm, dzīvības krīzi un klimata pārmaiņām.
Lielais skābekļa veidošanās notikums (GOE) bija ilglaicīgs planētas ķīmiskās un bioloģiskās vides pārejas periods, kad brīvais skābeklis sāka pastāvīgi uzkrāties Zemes atmosfērā. Galvenais šo izmaiņu dzinējspēks bija cianobaktērijas, kas ar fotosintēzes palīdzību sāka atbrīvot O₂. Fotosintēze kā process, kas ražo skābekli, visticamāk parādījās jau vairāk nekā trīs miljardus gadu atpakaļ, tomēr pati atmosfēras oksigenizācija – GOE – notika galvenokārt apmēram pirms 2,4–2,1 miljardiem gadu un iekļāva ilgas pārejas un svārstības, kas daļēji turpinājās vēl līdz Proterozoja laikmetam (ar daļēju ietekmi pat līdz aptuveni vienam miljardam gadu atpakaļ).
Fotosintēze ražoja skābekli gan pirms, gan pēc GOE. Galvenā atšķirība bija tā, ka pirms GOE producētais brīvais skābeklis netika uzkrāts atmosfērā, jo tas ķīmiski sasaistījās ar citiem zemes ķīmiskajiem „slāpētājiem” (sinks). Piemēram, izšķīdušais dzelzs okeānos bija ļoti reaģējošs ar O₂ un pārvērtās par dzelzsoksīdiem, veidojot milzīgas joslveida nogulšņu struktūras – joslveida dzelzs ieži — īpaši no arhejas un proterozoja laikmetiem. Kad šie ķīmiskie uztvērēji (dzelzs, sērs u.c.) sāka izsīkt vai mainījās to pieejamība, vairāk brīvā skābekļa palika ūdenī un gaisā, un tā koncentrācija atmosfērā sāka pieaugt — tas bija GOE.
Skābeklis bija toksisks daudzām tā laika anaerobām dzīvības formām. Tā kā cianobaktērijas ražoja skābekli un bieži būvēja struktūras, piemēram, stromatolītus, tās būtiski mainīja vidi citiem protistiem. Daļa anaerobo organismu tika izspiesti vai iznīcināti, bet adaptējās un izvērsa aerobo vielmaiņu tās priekšrocību dēļ. Vēl viena nozīmīga sekas bija brīvā skābekļa ķīmiskā mijiedarbība ar atmosfēras metānu, kas ir spēcīga siltumnīcefekta gāze. Metāna oksidācija samazināja siltumnīcas efektu, kas, visticamāk, veicināja dramatiska aukstuma perioda — Huroniana ledāja — attīstību; šo ledāju epizodi dažkārt sauc par vienu no agrīnākajām un ilgstošākajām «sniega bumbas Zemes» epizodēm (skat. saistīto diskusiju par Huroņa ledāju un iespējamo sniega bumbas efektu). Kopš GOE brīvais skābeklis ir kļuvis par neatņemamu atmosfēras komponentu un nodrošinājis jaunas evolūcijas iespējas – sarežģītāku organismu attīstību un aerobās elpošanas enerģētisko efektivitāti.
Cēloņi un mehānika
Cianobaktērijas spēja sadalīt ūdeni fotosintēzes procesā (oksidēt H₂O), atbrīvojot O₂ kā blakusproduktu. Liela nozīme bija arī organiskā oglekļa noglabāšanai jūras dibenā — ja veidojās oglekļa nogulsnes, kuras netika pilnībā atgrieztas kā CO₂, tad ilgtermiņā O₂ varēja uzkrāties atmosfērā. Svarīgi ķīmiskie «sinks» bija dzelzs, sērūdeņradis un dažādi reducēti metāli; to izsīkums vai ķīmiskais piesātinājums ļāva O₂ palikt brīvā formā.
Ģeoloģiskie un ķīmiskie pierādījumi
GOE pierādās ar vairākiem neatkarīgiem geoloģiskiem signāliem: masīvas
- joslveida dzelzs (BIF) nogulsnes, kas liecina par dzelzs oksidēšanos okeānos,
- izmaiņas sēra izotopu seju — mass-independent fractionation (MIF) pazušana ap GOE liecina par atmosfēras oksidācijas pieaugumu,
- „sarkanie slāņi” (red beds) un citu oksidētu minerālu parādīšanās uz sauszemes, kas prasa skābekli to veidošanai.
Ilgtermiņa sekas un nozīme
GOE radīja apstākļus, kas ļāva attīstīties aerobai metabolisma veidiem ar augstāku enerģijas ražošanu uz vienu organisma šūnu, veicinot sarežģītāku daudzšūnu dzīvību. Atmosfēras skābekļa parādīšanās arī veicināja ozona slāņa izveidošanos, kas aizsargā no ultravioletā starojuma un atviegloja dzīvi sauszemē. Ģeoloģiski GOE mainīja minerālu izplatību un ķīmiju — daudzos reģionos parādījās oksidētu metālu nogulsnes, kas droši vien bija iespējamas tikai, ja skābeklis pastāvēja ilgstoši.");
Kopumā Lielais skābekļa notikums bija viens no izšķirošajiem pagriezieniem Zemes vēsturē — tas pārveidoja atmosfēru, okeānus, minerālu ciklus un dzīvi, uzstādot skābekli kā centrālu faktoru, kas turpmāk noteica planētas ekoloģisko un evolūcijas ceļu.
O2 uzkrāšanās Zemes atmosfērā. Sarkanā un zaļā līnija attēlo aplēšu diapazonu, bet laiks mērīts miljardos gadu (Ga). 1. posms (3,85-2,45 Ga): Atmosfērā praktiski nav O2. posms (2,45-1,85 Ga): O2 rodas, bet tiek absorbēts okeānos un jūras gultnes iežos. posms (1,85-0,85 Ga): O2 sāk izdalīties no okeāniem, bet to absorbē sauszemes virsmas. un 5. posms (0,85 līdz mūsdienām): O2 izplūst un gāze uzkrājas.
Laika grafiks
Pierādījumi liecina, ka brīvo skābekli vispirms sāka ražot fotosintētiski organismi (prokariotiski, vēlāk eikariotiski), kas izdalīja skābekli kā atkritumproduktu. Šie organismi dzīvoja ilgi pirms GOE, iespējams, pirms 3500 miljoniem gadu (mya). To saražotais skābeklis būtu ātri izplūdis no atmosfēras, notiekot "masveida rūsēšanai", kas izraisīja dzelzs joslu veidojumu veidošanos. Skābeklis nelielos daudzumos atmosfērā sāka saglabāties tikai īsi (~50 miljonus gadu) pirms GOE sākuma. Ja skābeklis nebūtu samazinājies, tas ļoti strauji uzkrātos. Pie mūsdienu fotosintēzes ātruma (kas ir daudz lielāks nekā no sauszemes augiem brīvajā iekambrī) mūsdienu atmosfēras O2 līmenis varētu izveidoties aptuveni 2000 gadu laikā.
Kopsavilkums:
- 3 500 mija Arhejas eons: skābekļa ražošana ar ciānbaktērijām stromatolītos.
- Skābeklis izraisa dzelzs nogulsnēšanos dzelzs oksīdu veidā joslveida dzelzs veidojumos.
- c. 2400 mija Paleoproterozoja ēra: brīvais skābeklis izplūst atmosfērā, galvenokārt uzsūcas uz sauszemes.
- c. 850 mya Neoproterozoja ēra: atmosfērā sāk uzkrāties skābeklis. Paleozoja laikmetā turpina palielināties līdz pašreizējam līmenim.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Lielais skābekļa pieaugums (GOE)?
A: GOE bija brīvā skābekļa rašanās atmosfērā, ko izraisīja cianobaktērijas, veicot fotosintēzi. Tas notika ilgā laika posmā, no pirms trim miljardiem gadu līdz apmēram pirms viena miljarda gadu.
J: Kā notika GOE?
A: Pirms GOE organiskās vielas un izšķīdušais dzelzs ķīmiski uzņēma brīvo skābekli. Kad dzelzs vairs nepietika, lai uztvertu vairāk skābekļa, atmosfērā uzkrājās brīvais skābeklis, kas bija GOE.
J: Kādas bija GOE sekas?
A: Skābeklis bija toksisks lielākajai daļai tā laika Zemes anaerobo iedzīvotāju, tāpēc daudzi no tiem izmira. Brīvais skābeklis reaģēja arī ar atmosfēras metānu, kas ir siltumnīcas efektu izraisoša gāze, izvadot to no atmosfēras un izraisot Huroņa apledojumu - iespējams, visilgāko sniega bumbas Zemes epizodi vēsturē. Kopš tā laika brīvais skābeklis ir svarīga mūsu atmosfēras sastāvdaļa.
J: Kas ir stromatolīti?
A: Stromatolīti ir slāņainas struktūras, ko veido cianobaktērijas un kas sastopamas seklā ūdens vidē, piemēram, lagūnās un plūdmaiņu baseinos. Tie veidojas, kad baktērijas savos gļotu slāņos iesaista nogulšņu daļiņas un laika gaitā veido paklājus viena uz otras.
J: Kā fotosintēze ietekmēja Zemi pirms un pēc GOE?
A: Fotosintēze radīja skābekli gan pirms, gan pēc GOE; tomēr pirms GOE visu brīvo skābekli uztver organiskās vielas vai izšķīdušā dzelzs, bet pēc GOE daļa brīvā skābekļa varēja uzkrāties mūsu atmosfērā, jo trūka pieejamās dzelzs, lai to visu uztvertu.
J: Kad notika šis notikums?
A.: Lielais skābekļa veidošanās notikums norisinājās no pirms trim miljardiem gadu līdz aptuveni pirms miljarda gadu.
Meklēt