Meie planeet on keeruline süsteem, mis on dünaamiliselt arenenud enam kui 4,5 miljardit aastat. Kõik selle süsteemi komponendid (Maa tahke keha, hüdrosfäär, atmosfäär, biosfäär), mis üksteisega suhtlevad, muutusid pidev alt keerukas, mõnikord mitteilmnevas seoses. Kaasaegne Maa on selle pika evolutsiooni vahetulemus.
Üks tähtsamaid komponente süsteemis, milleks Maa on – atmosfäär, mis on otseses kontaktis litosfääri ja veekestaga, biosfääriga ja päikesekiirgusega. Meie planeedi arengu teatud etappidel on atmosfäär teinud läbi väga olulisi muutusi, millel on kaugeleulatuvad tagajärjed. Ühte sellist globaalset muutust nimetatakse hapnikukatastroofiks. Selle sündmuse tähtsus Maa ajaloos on erakordselt suur. Lõppude lõpuks oli temaga seotud elu edasine areng planeedil.
Mis on hapnikukatastroof
Mõiste tekkis 20. sajandi teise poole alguses, kui eelkambriumi settimisprotsesside uurimisele tuginedesjäreldus hapnikusisalduse järsust tõusust kuni 1% selle praegusest kogusest (Pasteuri punktid). Selle tulemusena omandas atmosfäär pidev alt oksüdeeriva iseloomu. See omakorda viis eluvormide väljakujunemiseni, mis kasutavad ensümaatilise kääritamise (glükolüüsi) asemel palju tõhusamat hapnikuhingamist.
Kaasaegsed uuringud on teinud olulisi täpsustusi varem eksisteerinud teoorias, näidates, et hapnikusisaldus Maal kõikus nii enne kui ka pärast arheo-proterosooikumi piiri ning üldiselt on atmosfääri ajalugu palju keerulisem kui varem mõtlesin.
Iidne õhkkond ja primitiivse elu tegevus
Atmosfääri esmast koostist ei saa absoluutse täpsusega kindlaks teha ja oli ebatõenäoline, et see oli sellel ajastul konstantne, kuid on selge, et see põhines vulkaanilistel gaasidel ja nende koosmõjul kivimitega maapinnast. On märkimisväärne, et nende hulgas ei saanud olla hapnikku - see ei ole vulkaaniline saadus. Varane õhkkond oli seega taastav. Peaaegu kogu õhuhapnik on biogeenset päritolu.
Geokeemilised ja insolatsioonitingimused aitasid tõenäoliselt kaasa mattide – prokarüootsete organismide kihiliste koosluste tekkele ja mõned neist võisid juba läbi viia fotosünteesi (esimene anoksügeenne, näiteks vesiniksulfiidi baasil). Üsna pea, ilmselt juba Arheani esimesel poolel, omandasid sinivetikad kõrge energiaga hapniku fotosünteesi,millest sai protsessi süüdlane, mis sai Maa hapnikukatastroofi nime.
Vesi, atmosfäär ja hapnik Arheanis
Tuleb meeles pidada, et ürgset maastikku eristas eelkõige asjaolu, et selle ajastu stabiilsest maismaa-mere piirist ei saa rääkida taimede puudumisest tingitud intensiivse erosiooni tõttu.. Õigem oleks ette kujutada tohutuid alasid, mis on sageli üle ujutatud väga ebastabiilse rannajoonega, kuna sellised tingimused olid sinivetikamattide olemasoluks.
Nende poolt eralduv hapnik – jääkained – sisenes ookeani ning Maa atmosfääri alumisse ja seejärel ülemisse kihti. Vees oksüdeeris ta atmosfääris lahustunud metalle, peamiselt rauda - gaase, mis olid selle osaks. Lisaks kulus see orgaanilise aine oksüdeerimisele. Hapnik ei akumuleerunud, toimus ainult selle kontsentratsiooni kohalik tõus.
Oksüdeeriva atmosfääri pikaajaline loomine
Praegu seostatakse Arheani lõpu hapnikuvoogu muutustega Maa tektoonilises režiimis (tõelise mandrikoore teke ja laamtektoonika teke) ning vulkaanilise tegevuse iseloomu muutumisega, mis on põhjustatud neid. Selle tulemuseks oli kasvuhooneefekti vähenemine ja pikk Huroni jäätumine, mis kestis 2,1–2,4 miljardit aastat. Samuti on teada, et hüppele (umbes 2 miljardit aastat tagasi) järgnes hapnikusisalduse langus, mille põhjused on siiani ebaselged.
Peaaegu kogu proterosoikumi ajal, kuni 800 miljonit aastat tagasi, kõikus hapniku kontsentratsioon atmosfääris, jäädes siiski keskmiselt väga madalaks, kuigi juba kõrgemaks kui Arheaanis. Eeldatakse, et atmosfääri selline ebastabiilne koostis on seotud mitte ainult bioloogilise aktiivsusega, vaid suurel määral ka tektooniliste nähtuste ja vulkanismi režiimiga. Võib öelda, et Maa ajaloo hapnikukatastroof kestis peaaegu 2 miljardit aastat – see ei olnud niivõrd sündmus, kuivõrd pikk keeruline protsess.
Elu ja hapnik
Vaba hapniku ilmumine ookeani ja atmosfääri fotosünteesi kõrvalsaadusena on viinud aeroobsete organismide tekkeni, mis on võimelised seda mürgist gaasi oma elus omastama ja kasutama. See seletab osaliselt tõsiasja, et hapnik ei kogunenud nii pika aja jooksul: eluvormid hakkasid seda üsna kiiresti kasutama.
Hapnikupurse arhea-proterosoikumi piiril korreleerub niinimetatud Lomagundi-Yatuli sündmusega, orgaanilise tsükli läbinud süsiniku isotoobianomaaliaga. Võimalik, et see tõus tõi kaasa varajase aeroobse elu tõusu, nagu näiteks umbes 2,1 miljardi aasta tagune Francville'i elustik, mis hõlmab väidetav alt esimesi primitiivseid mitmerakulisi organisme Maal.
Varsti, nagu juba märgitud, hapnikusisaldus langes ja kõikus seejärel üsna madalate väärtuste ümber. Võib-olla elusähvatus, mis põhjustas suurenenud hapnikutarbimise,mis oli veel väga väike, mängis sel sügisel teatud rolli? Tulevikus pidid aga kindlasti tekkima mingid “hapnikutaskud”, kus aeroobne elu eksisteeris üsna mugav alt ja tegi korduv alt katseid “jõuda mitmerakulisele tasemele”.
Hapnikukatastroofi tagajärjed ja olulisus
Seega ei olnud globaalsed muutused atmosfääri koostises, nagu selgus, katastroofilised. Kuid nende tagajärjed muutsid meie planeeti tõesti radikaalselt.
Tekkisid eluvormid, mis ehitavad oma elutegevuse üles ülitõhusale hapnikuhingamisele, mis lõi eeldused järgnevaks biosfääri kvalitatiivseks komplikatsiooniks. See omakorda poleks olnud võimalik ilma Maa atmosfääri osoonikihi moodustumiseta – see on veel üks vaba hapniku ilmumise tagajärg.
Lisaks ei suutnud paljud anaeroobsed organismid selle agressiivse gaasi olemasoluga oma elupaigas kohaneda ja surid välja, samas kui teised olid sunnitud piirduma hapnikuvabades "taskutes". Nõukogude ja vene teadlase, mikrobioloogi G. A. Zavarzini kujundliku väljendi kohaselt "pöörus biosfäär" hapnikukatastroofi tagajärjel. Selle tagajärjeks oli proterosoikumi lõpus teine suur hapnikusündmus, mille tulemusena kujunes lõplikult välja hulkrakne elu.
