Naša planeta je složen sistem koji se dinamički razvija više od 4,5 milijardi godina. Sve komponente ovog sistema (čvrsto tijelo Zemlje, hidrosfera, atmosfera, biosfera), u međusobnoj interakciji, neprestano su se mijenjale u složenom, ponekad neočiglednom odnosu. Moderna Zemlja je srednji rezultat ove duge evolucije.
Jedna od najvažnijih komponenti sistema koji je Zemlja - atmosfera, koja je u direktnom kontaktu i sa litosferom, i sa vodenom školjkom, i sa biosferom, i sa sunčevim zračenjem. U nekim fazama razvoja naše planete atmosfera je pretrpjela vrlo značajne promjene sa dalekosežnim posljedicama. Jedna takva globalna promjena zove se kisikova katastrofa. Značaj ovog događaja u istoriji Zemlje je izuzetno veliki. Uostalom, s njim je bio povezan dalji razvoj života na planeti.
Šta je katastrofa kiseonika
Pojam je nastao početkom druge polovine 20. stoljeća, kada je na osnovu proučavanja procesa pretkambrijske sedimentacije,zaključak o naglom povećanju sadržaja kiseonika do 1% njegove trenutne količine (Pasterove tačke). Kao rezultat toga, atmosfera je poprimila stalni oksidirajući karakter. To je zauzvrat dovelo do razvoja oblika života koji koriste mnogo efikasnije disanje kisika umjesto enzimske fermentacije (glikolize).
Moderna istraživanja su napravila značajna poboljšanja u prethodno postojećoj teoriji, pokazujući da je sadržaj kiseonika na Zemlji i prije i nakon arhejsko-proterozojske granice značajno fluktuirao, i općenito je historija atmosfere mnogo složenija nego ranije mislio.
Drevna atmosfera i aktivnosti primitivnog života
Primarni sastav atmosfere ne može se utvrditi sa apsolutnom tačnošću i malo je vjerovatno da je bio konstantan u to doba, ali je jasno da je bio zasnovan na vulkanskim plinovima i proizvodima njihove interakcije sa stijenama zemljine površine. Značajno je da među njima nije moglo biti kisika – on nije vulkanski proizvod. Rana atmosfera je stoga bila obnavljajuća. Skoro sav atmosferski kiseonik je biogenog porekla.
Geohemijski i insolacioni uslovi verovatno su doprineli formiranju prostirki - slojevitih zajednica prokariotskih organizama, a neki od njih su već mogli da vrše fotosintezu (prva anoksigena, na primer, na bazi vodonik sulfida). Ubrzo, očigledno već u prvoj polovini Arheja, cijanobakterije su savladale fotosintezu kiseonika visoke energije,koji je postao krivac procesa, koji je dobio ime katastrofe kiseonika na Zemlji.
Voda, atmosfera i kiseonik u Arheju
Mora se imati na umu da se primitivni krajolik odlikovao prvenstveno činjenicom da je teško legitimno govoriti o postojanoj granici kopno-more za to doba zbog intenzivne erozije kopna zbog odsustva biljaka. Ispravnije bi bilo zamisliti ogromna područja koja su često poplavljena vrlo nestabilnom obalom, takvi su bili uslovi za postojanje cijanobakterijskih prostirki.
Oslobodjeni kiseonik od njih - otpadni proizvodi - ušao je u okean i u donje, a zatim u gornje slojeve Zemljine atmosfere. U vodi je oksidirao otopljene metale, prvenstveno gvožđe, u atmosferi - gasove koji su bili u njenom sastavu. Osim toga, potrošeno je na oksidaciju organske tvari. Nije došlo do akumulacije kiseonika, samo je došlo do lokalnog povećanja njegove koncentracije.
Dugo uspostavljanje oksidirajuće atmosfere
U ovom trenutku, nalet kisika na kraju arheja povezan je s promjenama u Zemljinom tektonskom režimu (formiranje prave kontinentalne kore i formiranje tektonike ploča) i promjenom prirode vulkanske aktivnosti uzrokovane njima. To je rezultiralo smanjenjem efekta staklene bašte i dugom glacijacijom Hurona, koja je trajala od 2,1 do 2,4 milijarde godina. Takođe je poznato da je skok (prije oko 2 milijarde godina) bio praćen padom sadržaja kiseonika, čiji su razlozi još uvijek nejasni.
Tokom skoro čitavog proterozoika, do prije 800 miliona godina, koncentracija kisika u atmosferi je fluktuirala, ostajući, međutim, u prosjeku vrlo niska, iako već viša nego u arheju. Pretpostavlja se da je takav nestabilan sastav atmosfere povezan ne samo s biološkom aktivnošću, već u velikoj mjeri i s tektonskim fenomenima i režimom vulkanizma. Možemo reći da se katastrofa kiseonika u istoriji Zemlje protezala na skoro 2 milijarde godina - to nije bio toliko događaj koliko dugotrajan složen proces.
Život i kiseonik
Pojava slobodnog kiseonika u okeanu i atmosferi kao nusproizvoda fotosinteze dovela je do razvoja aerobnih organizama sposobnih da asimiliraju i koriste ovaj otrovni gas u životu. Ovo delimično objašnjava činjenicu da se kiseonik nije akumulirao u tako dugom periodu: oblici života su se pojavili prilično brzo da ga iskoriste.
Prvak kiseonika na granici arheja i proterozoika korelira sa takozvanim događajem Lomagundi-Jatulija, izotopskom anomalijom ugljenika koja je prošla kroz organski ciklus. Moguće je da je ovaj porast doveo do uspona ranog aerobnog života, kao što je primjer biote iz Francvillea datirane prije otprilike 2,1 milijardu godina, koja uključuje navodno prve primitivne višećelijske organizme na Zemlji.
Ubrzo, kao što je već napomenuto, sadržaj kiseonika je opao, a zatim fluktuirao oko prilično niskih vrednosti. Možda bljesak života koji je uzrokovao povećanu potrošnju kiseonika,koji je još bio vrlo mali, odigrao je određenu ulogu u ovoj jeseni? U budućnosti su se, međutim, zasigurno pojavili nekakvi „džepovi kiseonika“, u kojima je aerobni život postojao sasvim udobno i u kojima su se ponavljali pokušaji da se „dostigne višećelijski nivo“..
Posljedice i značaj kisikove katastrofe
Dakle, globalne promjene u sastavu atmosfere nisu bile, kako se ispostavilo, katastrofalne. Međutim, njihove posljedice su zaista radikalno promijenile našu planetu.
Pojavili su se oblici života koji svoju životnu aktivnost grade na visokoefikasnom disanju kiseonika, što je stvorilo preduslove za naknadnu kvalitativnu komplikaciju biosfere. Zauzvrat, to ne bi bilo moguće bez formiranja ozonskog omotača Zemljine atmosfere - još jedne posljedice pojave slobodnog kisika u njoj.
Pored toga, mnogi anaerobni organizmi nisu mogli da se prilagode prisustvu ovog agresivnog gasa u svom staništu i izumrli su, dok su drugi bili primorani da se ograniče na postojanje u "džepovima" bez kiseonika. Prema figurativnom izrazu sovjetskog i ruskog naučnika, mikrobiologa G. A. Zavarzina, biosfera se „izvrnula naopačke“kao rezultat katastrofe kiseonika. Posljedica ovoga bio je drugi veliki događaj kisika na kraju proterozoika, koji je rezultirao konačnim formiranjem višećelijskog života.
