Veliki dogodek oksigenacije: definicija, vzrok, potek in posledice

Veliki dogodek oksigenacije (GOE) je bil vnos prostega kisika v naše ozračje. Povzročile so ga cianobakterije, ki so izvajale fotosintezo. Trajalo je zelo dolgo, od pred približno tremi milijardami let do pred približno eno milijardo let.

Fotosinteza je proizvajala kisik pred in po GOE. Razlika je bila v tem, da so pred GOE organske snovi in raztopljeno železo kemično zajeli ves prosti kisik. Na Zemlji je veliko železa, železo pa ima večjo topnost kot njegovi oksidi, zato je bilo v oceanih veliko raztopljenega železa. To je postalo železovoksid in se je v arhejski in proterozojski dobi v obliki pasovnih železovih kamnin ogromno nalagalo. Ko je ostalo premalo železa, da bi zajelo več kisika, se je v ozračju kopičil prosti kisik. To je bil GOE.

Za večino anaerobnih prebivalcev Zemlje je bil takrat kisik strupen. Ko so cianobakterije proizvajale kisik in gradile svoje stromatolite, so spremenile okolje za druge protiste. Ker se drugi protisti niso mogli spoprijeti s kisikom, bi jih večina izumrla. Druga posledica je bil vpliv prostega kisika na metan v ozračju, toplogredni plin. Reakcija je odstranila metan in povzročila huronsko poledenitev, verjetno najdaljšo snežno kepo na Zemlji doslej. Od takrat je prosti kisik pomemben del ozračja.

Časovni okvir in dokazi

Moderne geokemijske in sedimentološke študije kažejo, da glavna faza GOE ni bila enkraten trenutek, temveč večstopenjski proces, ki je potekal predvsem v obdobju pred približno 2,45 do 2,2 milijardami let. Vendar pa so znaki oksigenacije vidni že prej in so se nadaljevali dlje, zato se v literaturi pojavlja tudi širši časovni okvir (delno v skladu s prej navedenimi ocenami). Kot neposredni dokazi GOE veljajo:

Velike naloge pasovnih železovih kamnin, ki pričajo o oksidaciji raztopljenega železa v oceanih.
Izginotje mase-independnente frakcionacije žvepla (SMIF), kar kaže na vzpostavitev atmosferskega kisika, ki onemogoči posebne reakcije žveplovih izotopov.
Pojav rjavih ali rdečih tal (»red beds«) in spremembe v oksidacijskem stanju drugih elementov v sedimentih.

Vzroki

Glavni biološki vzrok GOE so bile cianobakterije, ker so kot prve razvile oksigeno fotosintezo, pri kateri kot stranski produkt nastaja kisik. Ko so cianobakterije rasle in tvorile gostejše kolonije ali stromatolite, je nastajalo dovolj kisika, da so postopoma preplavile lokalne redukcijske ponore (npr. raztopljeno železo in sulfide). Poleg bioloških dejavnikov so pomembne tudi geološke okoliščine: razpoložljivost hranil, spremembe v prerazporeditvi kopnega, tektonika in vremenski pogoji, ki so vplivali na količino proizvedenega in obdržanega kisika.

Potek oksigenacije

Oksigenacija je potekala postopoma in v valovih. V obdobju, ko je bilo v oceanih veliko raztopljenega železa in reduciranih spojin, je bil novonastali kisik hitro porabljen za oksidacijo teh snovi. To pojasnjuje nastanek velikih pasovnih železovih kamnin. Ko so se ti ponori izčrpali ali so se zmanjšali, se je presežni kisik začel kopičiti v atmosferi. V atmosferi se je kisik postopoma stabiliziral pri ravneh, ki so lahko ohranjale ozonski sloj, večje spremembe pa so se zgodile šele kasneje v proterozoiku in neoproteozoiku.

Posledice za življenje in podnebje

Velike nasledice GOE vključujejo:

Biološke spremembe: Za mnoge anaerobne organizme je bil kisik strupen — prišlo je do izumrtij in velike spremembe v sestavi biot k. Hkrati je prisotnost kisika omogočila razvoj aerobnega dihanja, ki daje več energije in je bil predpogoj za nastanek kompleksnejših evkariontskih organizmov.
Spremembe v atmosferi: Oksidacija odstrani metan, močan toplogredni plin, kar je pripomoglo k ohlajanju podnebja. To je verjetno sprožilo huronsko poledenitev, eno najdaljših znanih obdobij splošnega zaledanja.
Geokemična posledica: Povečalo se je oksidativno vremevanje, spreminjali so se cikli ogljika, žvepla, železa in drugih elementov. Nastali so novi depoziti in spremenjeni minerali.
Zaščita pred UV žarki: Z več kisika je nastal tudi ozonski sloj, ki je zmanjšal doseg škodljivih UV žarkov do površja in omogočil življenje na kopnem v kasnejših obdobjih.

Pomen za nadaljnji razvoj Zemlje

GOE je temeljna prelomnica v zemeljski zgodovini: postavil je atmosferske in kemijske pogoje, ki so omogočili evolucijo aerobnega metabolizma in sčasoma kompleksnih večceličnih organizmov. Kljub temu kisik po GOE ni takoj dosegel današnje vrednosti — njegova koncentracija se je v naslednjih milijardah let spreminjala in dosegla visoke ravni šele postopoma, kar je vplivalo na časovni okvir razvoja evkariontov in večceličnih organizmov.

Skupaj pomeni Veliki dogodek oksigenacije prehod iz reduciranega, anaerobnega sveta v oksidiran planet, katerega posledice oblikujejo biologijo, geologijo in podnebje Zemlje še danes.

kopičenje O2 v Zemljinem ozračju. Rdeča in zelena črta predstavljata razpon ocen, medtem ko je čas merjen v milijardah let nazaj (Ga). Faza 1 (3,85-2,45 Ga): O2 v ozračju praktično ni. Stopnja 2 (2,45-1,85 Ga): O2 nastaja, vendar se absorbira v oceanih in kamninah morskega dna. Faza 3 (1,85-0,85 Ga): O2 začne izhajati iz oceanov, vendar ga absorbirajo kopenske površine. Fazi 4 in 5 (0,85-sedanjost): O2 se potopi in plin se kopiči.

Časovni razpored

Dokazano je, da so prosti kisik najprej proizvajali fotosintetični organizmi (prokarionti, pozneje evkarionti), ki so kisik oddajali kot odpadni produkt. Ti organizmi so živeli dolgo pred GOE, morda pred 3500 milijoni let. Kisik, ki so ga proizvajali, je bil hitro odstranjen iz ozračja z "množičnim rjavenjem", ki je privedlo do odlaganja železovih pasov. Kisik se je v majhnih količinah v ozračju začel ohranjati šele kmalu (~50 milijonov let) pred začetkom GOE. Brez odvajanja bi se kisik zelo hitro kopičil. Pri današnjih stopnjah fotosinteze (ki so veliko večje od tistih v prekambriju brez kopenskih rastlin) bi se sodobna raven O2 v ozračju lahko ustvarila v približno 2.000 letih.

Povzetek:

3.500 mio arhejski eon: proizvodnja kisika s cianobakterijami v stromatolitih.
Kisik povzroča odlaganje železa v obliki železovih oksidov v pasovnih železovih formacijah.
c. 2.400 mya Paleoproterozoik: prosti kisik uhaja v ozračje, večinoma se absorbira na kopnem.
c. 850 mioa Neoproterozoik: v ozračju se začne kopičiti kisik. V paleozoiku se še naprej povečuje do današnje ravni.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je dogodek velike oksigenacije (GOE)?

O: GOE je bil nastanek prostega kisika v našem ozračju, ki so ga povzročile cianobakterije s fotosintezo. Potekal je v dolgem časovnem obdobju, od pred tremi milijardami let do pred približno eno milijardo let.

V: Kako je prišlo do GOE?

O: Pred GOE so organske snovi in raztopljeno železo kemično zajeli ves prosti kisik. Ko ni ostalo dovolj železa, da bi zajelo več kisika, se je v ozračju nakopičil prosti kisik, kar je bil GOE.

V: Kakšne so bile nekatere posledice GOE?

O: Kisik je bil strupen za večino anaerobnih prebivalcev Zemlje v tistem času, zato so mnogi izumrli. Prosti kisik je reagiral tudi z atmosferskim metanom, toplogrednim plinom, ga odstranil in povzročil huronsko poledenitev - morda najdaljšo zemeljsko epizodo s snežno kepo doslej. Od takrat je prosti kisik pomemben del našega ozračja.

V: Kaj so stromatoliti?

O: Stromatoliti so večplastne strukture, ki jih tvorijo cianobakterije in jih najdemo v plitvih vodnih okoljih, kot so lagune in plimski bazeni. Nastanejo, ko bakterije ujamejo delce sedimentov v svoje plasti sluzi in sčasoma tvorijo prevleke druga na drugo.

V: Kako je fotosinteza vplivala na Zemljo pred in po GOE?

O: Pri fotosintezi je kisik nastajal tako pred kot po GOE; vendar je pred njo ves prosti kisik zajela organska snov ali raztopljeno železo, medtem ko se je po njej nekaj prostega kisika lahko kopičilo v našem ozračju, ker ni bilo več na voljo železa za zajemanje vsega kisika.

V: Kdaj se je zgodil ta dogodek?

O: Velika oksigenacija je potekala pred tremi milijardami let do pred približno eno milijardo let.