Naša planéta je komplexný systém, ktorý sa dynamicky vyvíja už viac ako 4,5 miliardy rokov. Všetky zložky tohto systému (pevné teleso Zeme, hydrosféra, atmosféra, biosféra), ktoré na seba navzájom pôsobia, sa neustále menia v zložitom, niekedy až nezrejmom vzťahu. Moderná Zem je prechodným výsledkom tohto dlhého vývoja.
Jednou z najdôležitejších zložiek systému Zeme je atmosféra, ktorá je v priamom kontakte s litosférou, s vodným obalom, s biosférou a so slnečným žiarením. V niektorých fázach vývoja našej planéty prešla atmosféra veľmi výraznými zmenami s ďalekosiahlymi následkami. Jedna z takýchto globálnych zmien sa nazýva kyslíková katastrofa. Význam tejto udalosti v dejinách Zeme je mimoriadne veľký. Koniec koncov, práve s ním bol spojený ďalší vývoj života na planéte.
Čo je kyslíková katastrofa
Pojem vznikol začiatkom druhej polovice 20. storočia, kedy na základe štúdia procesov prekambrickej sedimentáciezáver o prudkom zvýšení obsahu kyslíka až o 1 % jeho súčasného množstva (Pasteurove body). V dôsledku toho atmosféra nadobudla stabilný oxidačný charakter. To následne viedlo k vývoju životných foriem, ktoré využívajú oveľa efektívnejšie dýchanie kyslíka namiesto enzymatickej fermentácie (glykolýzy).
Moderný výskum výrazne spresnil predtým existujúcu teóriu a ukázal, že obsah kyslíka na Zemi pred aj po rozhraní archean-proterozoikum výrazne kolísal a vo všeobecnosti je história atmosféry oveľa komplikovanejšia ako predtým myslel.
Staroveká atmosféra a činnosti primitívneho života
Primárne zloženie atmosféry nemožno určiť s absolútnou presnosťou a bolo nepravdepodobné, že by v tej dobe bolo konštantné, ale je jasné, že bolo založené na vulkanických plynoch a produktoch ich interakcie s horninami zemského povrchu. Je príznačné, že medzi nimi nemohol byť kyslík – nejde o vulkanický produkt. Skorá atmosféra bola teda obnovujúca. Takmer všetok atmosférický kyslík je biogénneho pôvodu.
Geochemické a slnečné podmienky pravdepodobne prispeli k vytvoreniu rohoží - vrstevnatých spoločenstiev prokaryotických organizmov a niektoré z nich už mohli vykonávať fotosyntézu (najprv anoxygénne, napr. na báze sírovodíka). Veľmi skoro, zrejme už v prvej polovici archeanu, sinice ovládli vysokoenergetickú kyslíkovú fotosyntézu,ktorý sa stal vinníkom procesu, ktorý dostal názov kyslíková katastrofa na Zemi.
Voda, atmosféra a kyslík v Archeáne
Treba mať na pamäti, že primitívna krajina sa vyznačovala predovšetkým skutočnosťou, že je sotva legitímne hovoriť o stabilnej hranici medzi pevninou a morom v tej dobe kvôli intenzívnej erózii pôdy kvôli nedostatku rastlín. Správnejšie by bolo predstaviť si rozsiahle oblasti často zaplavené veľmi nestabilným pobrežím, aké boli podmienky pre existenciu rohoží so sinicami.
Kyslík, ktorý uvoľňujú – odpadové produkty – sa dostal do oceánu a do spodných a potom do horných vrstiev zemskej atmosféry. Vo vode oxidoval rozpustené kovy, predovšetkým železo, v atmosfére – plyny, ktoré boli jej súčasťou. Okrem toho sa vynaložila na oxidáciu organických látok. Nedošlo k žiadnej akumulácii kyslíka, došlo iba k lokálnemu zvýšeniu jeho koncentrácie.
Dlhé nastolenie oxidačnej atmosféry
V súčasnosti je príval kyslíka na konci Archeanu spojený so zmenami v tektonickom režime Zeme (vznik skutočnej kontinentálnej kôry a formovanie platňovej tektoniky) a so zmenou charakteru vulkanickej činnosti spôsobenej tzv. ich. Malo to za následok zníženie skleníkového efektu a dlhé hurónske zaľadnenie, ktoré trvalo od 2,1 do 2,4 miliardy rokov. Je tiež známe, že po skoku (asi pred 2 miliardami rokov) nasledoval pokles obsahu kyslíka, ktorého dôvody sú stále nejasné.
Počas takmer celého proterozoika, až pred 800 miliónmi rokov, koncentrácia kyslíka v atmosfére kolísala, zostávala však v priemere veľmi nízka, aj keď už vyššia ako v archeane. Predpokladá sa, že takéto nestabilné zloženie atmosféry je spojené nielen s biologickou aktivitou, ale vo veľkej miere aj s tektonickými javmi a režimom vulkanizmu. Môžeme povedať, že kyslíková katastrofa v histórii Zeme trvala takmer 2 miliardy rokov – nebola to ani tak udalosť, ako skôr dlhý zložitý proces.
Život a kyslík
Výskyt voľného kyslíka v oceáne a atmosfére ako vedľajší produkt fotosyntézy viedol k vývoju aeróbnych organizmov schopných asimilovať a využívať tento toxický plyn v živote. To čiastočne vysvetľuje skutočnosť, že kyslík sa neakumuloval tak dlho: formy života sa objavili pomerne rýchlo, aby ho využili.
Výbuch kyslíka na hranici archean-proterozoik koreluje s takzvaným lomagundi-yatulským javom, izotopovou anomáliou uhlíka, ktorá prešla organickým cyklom. Je možné, že tento prudký nárast viedol k vzostupu skorého aeróbneho života, čoho príkladom je Francville biota datovaná asi pred 2,1 miliardami rokov, ktorá zahŕňa údajne prvé primitívne mnohobunkové organizmy na Zemi.
Čoskoro, ako už bolo uvedené, obsah kyslíka klesol a potom kolísal okolo pomerne nízkych hodnôt. Možno záblesk života, ktorý spôsobil zvýšenú spotrebu kyslíka,ktorý bol ešte veľmi malý, zohral v tejto jeseni určitú úlohu? V budúcnosti však určite vznikli akési „kyslíkové vrecká“, kde aeróbny život celkom pohodlne existoval a opakovane sa pokúšali „dosiahnuť mnohobunkovú úroveň“.
Dôsledky a význam kyslíkovej katastrofy
Globálne zmeny v zložení atmosféry teda neboli, ako sa ukázalo, katastrofálne. Ich dôsledky však skutočne radikálne zmenili našu planétu.
Vznikli formy života, ktoré stavajú svoju životnú aktivitu na vysoko účinnom kyslíkovom dýchaní, čím sa vytvorili predpoklady pre následnú kvalitatívnu komplikáciu biosféry. Na druhej strane by to nebolo možné bez vytvorenia ozónovej vrstvy zemskej atmosféry - ďalší dôsledok objavenia sa voľného kyslíka v nej.
Okrem toho sa mnohé anaeróbne organizmy nedokázali prispôsobiť prítomnosti tohto agresívneho plynu vo svojom prostredí a vyhynuli, zatiaľ čo iné boli nútené obmedziť sa na existenciu vo „vreckách bez kyslíka“. Podľa obrazného vyjadrenia sovietskeho a ruského vedca, mikrobiológa G. A. Zavarzina, sa biosféra v dôsledku kyslíkovej katastrofy „prevrátila naruby“. Dôsledkom toho bola druhá veľká kyslíková udalosť na konci prvohôr, ktorá vyústila do konečného sformovania mnohobunkového života.
