Onze planeet is een complex systeem dat zich al meer dan 4,5 miljard jaar dynamisch ontwikkelt. Alle componenten van dit systeem (het vaste lichaam van de aarde, hydrosfeer, atmosfeer, biosfeer), die met elkaar in wisselwerking staan, veranderden voortdurend in een complexe, soms niet voor de hand liggende relatie. De moderne aarde is een tussenresultaat van deze lange evolutie.
Een van de belangrijkste componenten van het systeem dat de aarde is - de atmosfeer, die in direct contact staat met de lithosfeer, en met de waterschil, en met de biosfeer, en met zonnestraling. In sommige stadia van de ontwikkeling van onze planeet heeft de atmosfeer zeer ingrijpende veranderingen ondergaan met verstrekkende gevolgen. Een dergelijke wereldwijde verandering wordt de zuurstofcatastrofe genoemd. De betekenis van deze gebeurtenis in de geschiedenis van de aarde is buitengewoon groot. Met hem was tenslotte de verdere ontwikkeling van het leven op de planeet verbonden.
Wat is een zuurstofcatastrofe
De term ontstond aan het begin van de tweede helft van de 20e eeuw, toen, op basis van de studie van de processen van Precambrische sedimentatie,conclusie over de abrupte stijging van het zuurstofgeh alte tot 1% van de huidige hoeveelheid (pasteurpunten). Hierdoor kreeg de atmosfeer een gestaag oxiderend karakter. Dit leidde op zijn beurt tot de ontwikkeling van levensvormen die veel efficiëntere zuurstofademhaling gebruiken in plaats van enzymatische fermentatie (glycolyse).
Modern onderzoek heeft aanzienlijke verfijningen aangebracht aan de eerder bestaande theorie, waaruit blijkt dat het zuurstofgeh alte op aarde zowel voor als na de Archean-Proterozoic grens aanzienlijk fluctueerde, en in het algemeen is de geschiedenis van de atmosfeer veel gecompliceerder dan voorheen gedachte.
Oude sfeer en activiteiten van het primitieve leven
De primaire samenstelling van de atmosfeer kan niet met absolute nauwkeurigheid worden vastgesteld, en het was onwaarschijnlijk dat deze constant was in die tijd, maar het is duidelijk dat deze was gebaseerd op vulkanische gassen en de producten van hun interactie met de rotsen van het aardoppervlak. Het is veelbetekenend dat er onder hen geen zuurstof kan zijn - het is geen vulkanisch product. De vroege sfeer was dus herstellend. Bijna alle atmosferische zuurstof is van biogene oorsprong.
Geochemische en bezonningsomstandigheden hebben waarschijnlijk bijgedragen aan de vorming van matten - gelaagde gemeenschappen van prokaryotische organismen, en sommigen van hen konden al fotosynthese uitvoeren (eerst anoxygeen, bijvoorbeeld op basis van waterstofsulfide). Al vrij snel, blijkbaar al in de eerste helft van het Archeïsche tijdperk, beheersten cyanobacteriën de fotosynthese van hoogenergetische zuurstof,die de boosdoener werd van het proces, dat de naam kreeg van de zuurstofcatastrofe op aarde.
Water, atmosfeer en zuurstof in de Archean
Er moet aan worden herinnerd dat het primitieve landschap zich vooral onderscheidde door het feit dat het voor die tijd nauwelijks legitiem is om te spreken van een stabiele land-zeegrens vanwege de intensieve erosie van het land door het gebrek aan planten. Het zou juister zijn om uitgestrekte gebieden voor te stellen die vaak worden overspoeld met een zeer onstabiele kustlijn, zoals de voorwaarden voor het bestaan van cyanobacteriële matten.
De zuurstof die daarbij vrijkomt - afvalproducten - kwam in de oceaan en in de lagere en vervolgens in de bovenste lagen van de atmosfeer van de aarde. In water oxideerde hij opgeloste metalen, voornamelijk ijzer, in de atmosfeer - de gassen die er deel van uitmaakten. Bovendien werd het besteed aan de oxidatie van organisch materiaal. Er vond geen ophoping van zuurstof plaats, alleen lokale verhogingen van de concentratie vonden plaats.
Lange vestiging van een oxiderende atmosfeer
Op dit moment wordt de zuurstofstoot aan het einde van de Archean geassocieerd met veranderingen in het tektonische regime van de aarde (vorming van de echte continentale korst en vorming van platentektoniek) en de verandering in de aard van vulkanische activiteit veroorzaakt door hen. Het resulteerde in een afname van het broeikaseffect en een lange Huron-ijstijd, die 2,1 tot 2,4 miljard jaar duurde. Het is ook bekend dat de sprong (ongeveer 2 miljard jaar geleden) werd gevolgd door een daling van het zuurstofgeh alte, waarvan de redenen nog steeds onduidelijk zijn.
Gedurende bijna het hele Proterozoïcum, tot 800 miljoen jaar geleden, fluctueerde de zuurstofconcentratie in de atmosfeer, maar bleef gemiddeld erg laag, hoewel al hoger dan in het Archean. Er wordt aangenomen dat een dergelijke onstabiele samenstelling van de atmosfeer niet alleen wordt geassocieerd met biologische activiteit, maar in grote mate ook met tektonische verschijnselen en het regime van vulkanisme. We kunnen zeggen dat de zuurstofcatastrofe in de geschiedenis van de aarde bijna 2 miljard jaar heeft geduurd - het was niet zozeer een gebeurtenis als wel een lang complex proces.
Leven en zuurstof
Het verschijnen van vrije zuurstof in de oceaan en de atmosfeer als bijproduct van fotosynthese heeft geleid tot de ontwikkeling van aerobe organismen die in staat zijn dit giftige gas in het leven te assimileren en te gebruiken. Dit verklaart gedeeltelijk het feit dat zuurstof zich niet zo lang ophoopte: levensvormen leken het vrij snel te gebruiken.
De zuurstofuitbarsting bij de Archean-Proterozoic-grens correleert met de zogenaamde Lomagundi-Yatulian-gebeurtenis, een isotoopanomalie van koolstof die door de organische cyclus is gegaan. Het is mogelijk dat deze golf leidde tot de opkomst van het vroege aërobe leven, zoals geïllustreerd door de biota van Francville die ongeveer 2,1 miljard jaar geleden werd gedateerd en die vermoedelijk de eerste primitieve meercellige organismen op aarde omvat.
Al snel, zoals al opgemerkt, daalde het zuurstofgeh alte en schommelde het rond vrij lage waarden. Misschien een levensflits die een verhoogd zuurstofverbruik veroorzaakte,die nog heel klein was, dit najaar een bepaalde rol speelde? In de toekomst zouden er echter een soort van "zuurstofzakken" ontstaan, waar het aerobe leven redelijk comfortabel bestond en herhaalde pogingen deed om "het meercellige niveau te bereiken".
Gevolgen en betekenis van de zuurstofcatastrofe
Dus, de wereldwijde veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer waren, zoals later bleek, niet catastrofaal. De gevolgen ervan hebben onze planeet echter radicaal veranderd.
Er ontstonden levensvormen die hun levensactiviteit bouwen op zeer efficiënte zuurstofademhaling, wat de voorwaarden schiep voor de daaropvolgende kwalitatieve complicatie van de biosfeer. Op zijn beurt zou het niet mogelijk zijn geweest zonder de vorming van de ozonlaag in de atmosfeer van de aarde - een ander gevolg van het verschijnen van vrije zuurstof erin.
Bovendien konden veel anaërobe organismen zich niet aanpassen aan de aanwezigheid van dit agressieve gas in hun leefgebied en stierven ze uit, terwijl anderen zich moesten beperken tot het leven in zuurstofvrije "zakken". Volgens de figuurlijke uitdrukking van de Sovjet- en Russische wetenschapper, microbioloog G. A. Zavarzin, is de biosfeer "binnenstebuiten gekeerd" als gevolg van de zuurstofcatastrofe. Het gevolg hiervan was de tweede grote zuurstofgebeurtenis aan het einde van het Proterozoïcum, wat resulteerde in de uiteindelijke vorming van meercellig leven.
