Naše planeta je komplexní systém, který se dynamicky rozvíjí více než 4,5 miliardy let. Všechny složky tohoto systému (pevné těleso Země, hydrosféra, atmosféra, biosféra), které se vzájemně ovlivňují, se neustále měnily ve složitém, někdy nezřejmém vztahu. Moderní Země je přechodným výsledkem tohoto dlouhého vývoje.
Jedna z nejdůležitějších součástí systému, kterým je Země – atmosféra, která je v přímém kontaktu s litosférou, s vodním obalem, s biosférou a se slunečním zářením. V některých fázích vývoje naší planety prošla atmosféra velmi výraznými změnami s dalekosáhlými důsledky. Jedna taková globální změna se nazývá kyslíková katastrofa. Význam této události v dějinách Země je mimořádně velký. Ostatně právě s ním byl spojen další vývoj života na planetě.
Co je kyslíková katastrofa
Pojem vznikl na počátku druhé poloviny 20. století, kdy na základě studia procesů prekambrické sedimentacezávěr o prudkém zvýšení obsahu kyslíku až o 1 % jeho současného množství (Pasteurovy body). V důsledku toho atmosféra nabyla trvale oxidačního charakteru. To vedlo k vývoji životních forem, které místo enzymatické fermentace (glykolýzy) využívají mnohem efektivnější dýchání kyslíku.
Moderní výzkum významně upřesnil dříve existující teorii a ukázal, že obsah kyslíku na Zemi před i po hranici archean-proterozoikum výrazně kolísal a obecně je historie atmosféry mnohem komplikovanější než dříve myslel.
Starověká atmosféra a činnosti primitivního života
Primární složení atmosféry nelze určit s absolutní přesností a bylo nepravděpodobné, že by v té době bylo konstantní, ale je jasné, že bylo založeno na vulkanických plynech a produktech jejich interakce s horninami zemského povrchu. Je příznačné, že mezi nimi nemohl být kyslík – nejde o vulkanický produkt. Raná atmosféra byla tedy obnovující. Téměř veškerý vzdušný kyslík je biogenního původu.
Geochemické a insolační podmínky pravděpodobně přispěly ke vzniku rohoží - vrstevnatých společenstev prokaryotických organismů a některé z nich již mohly provádět fotosyntézu (nejprve anoxygenní např. na bázi sirovodíku). Velmi brzy, zřejmě již v první polovině archeanu, sinice ovládly vysokoenergetickou kyslíkovou fotosyntézu,který se stal viníkem procesu, který dostal název kyslíková katastrofa na Zemi.
Voda, atmosféra a kyslík v Archeanu
Je třeba mít na paměti, že primitivní krajina se vyznačovala především tím, že je stěží legitimní hovořit v té době o stabilní hranici země-moře kvůli intenzivní erozi země kvůli absenci rostlin. Správnější by bylo představit si rozsáhlé oblasti často zaplavené vysoce nestabilním pobřežím, takové byly podmínky pro existenci sinicových rohoží.
Jimi uvolněný kyslík – odpadní produkty – se dostal do oceánu a do spodních a poté do horních vrstev zemské atmosféry. Ve vodě oxidoval rozpuštěné kovy, především železo, v atmosféře - plyny, které byly její součástí. Kromě toho bylo vynaloženo na oxidaci organické hmoty. Nedošlo k žádné akumulaci kyslíku, došlo pouze k místnímu zvýšení jeho koncentrace.
Dlouhé nastolení oxidační atmosféry
V současnosti je nárůst kyslíku na konci Archeanu spojen se změnami tektonického režimu Země (vznik skutečné kontinentální kůry a formováním deskové tektoniky) a změnou charakteru vulkanické činnosti způsobené tzv. jim. To mělo za následek pokles skleníkového efektu a dlouhé huronské zalednění, které trvalo od 2,1 do 2,4 miliardy let. Je také známo, že skok (asi před 2 miliardami let) byl následován poklesem obsahu kyslíku, jehož důvody jsou stále nejasné.
Během téměř celého proterozoika, až do doby před 800 miliony let, koncentrace kyslíku v atmosféře kolísala, zůstala však v průměru velmi nízká, i když již vyšší než v Archeanu. Předpokládá se, že takto nestabilní složení atmosféry souvisí nejen s biologickou aktivitou, ale do značné míry také s tektonickými jevy a režimem vulkanismu. Můžeme říci, že kyslíková katastrofa v historii Země trvala téměř 2 miliardy let – nebyla to ani tak událost, jako spíše dlouhý složitý proces.
Život a kyslík
Vzhled volného kyslíku v oceánu a atmosféře jako vedlejšího produktu fotosyntézy vedl k vývoji aerobních organismů schopných asimilovat a využívat tento toxický plyn v životě. To částečně vysvětluje skutečnost, že se kyslík neakumuloval po tak dlouhou dobu: formy života se objevily poměrně rychle, aby ho využily.
Výbuch kyslíku na hranici Archean-Proterozoic koreluje s takzvanou Lomagundi-Yatulian událostí, izotopovou anomálií uhlíku, která prošla organickým cyklem. Je možné, že tento nárůst vedl ke vzestupu raného aerobního života, jak dokládá Francville biota datovaná asi před 2,1 miliardami let, která zahrnuje údajně první primitivní mnohobuněčné organismy na Zemi.
Brzy, jak již bylo uvedeno, obsah kyslíku klesl a poté kolísal kolem poměrně nízkých hodnot. Možná záblesk života, který způsobil zvýšenou spotřebu kyslíku,který byl ještě velmi malý, hrál v tomto podzimu určitou roli? V budoucnu však zákonitě musely vzniknout jakési „kyslíkové kapsy“, kde aerobní život existoval docela pohodlně a dělal opakované pokusy „dosáhnout mnohobuněčné úrovně“.
Následky a význam kyslíkové katastrofy
Globální změny ve složení atmosféry tedy nebyly, jak se ukázalo, katastrofické. Jejich důsledky však skutečně radikálně změnily naši planetu.
Vznikly formy života, které staví svou životní aktivitu na vysoce účinném dýchání kyslíku, což vytvořilo předpoklady pro následnou kvalitativní komplikaci biosféry. Na druhé straně by to nebylo možné bez vytvoření ozónové vrstvy zemské atmosféry - další důsledek toho, že se v ní objevil volný kyslík.
Kromě toho se mnoho anaerobních organismů nedokázalo přizpůsobit přítomnosti tohoto agresivního plynu ve svém prostředí a vymřelo, zatímco jiné byly nuceny omezit se na existenci v bezkyslíkových „kapsách“. Podle obrazného vyjádření sovětského a ruského vědce, mikrobiologa G. A. Zavarzina, se biosféra v důsledku kyslíkové katastrofy „obrátila naruby“. Důsledkem toho byla druhá velká kyslíková událost na konci proterozoika, která vyústila v konečné vytvoření mnohobuněčného života.
