Suure hapnikusündmuse (GOE) määratlus: kuidas tekkis Maa vaba hapnik
Avasta Suur hapnikusündmus (GOE): kuidas tsüanobakterite fotosüntees muutis Maa atmosfääri, tekitas vaba hapniku ja vallandas globaalse kliimamuutuse.
Suur hapnikusündmus (Great Oxygenation Event — GOE) tähistab perioodi, mil Maa atmosfääri hakati pikaajaliselt kogunema vaba hapnikku. See protsess toimus peamiselt enam kui kaks miljardit aastat tagasi — ligikaudu 2,4–2,0 miljardit aastat tagasi — ja muutis oluliselt Maad nii keemiliselt kui bioloogiliselt.
Põhjus ja mehhanism
GOE põhjus oli fotosünteesi teke, täpsemalt vee lagundamisega seotud oksüdatiivne fotosüntees, mida tegid tsüanobakterid. Need organismid kasutasid päikeseenergiat vee lõhustamiseks ja süsihappegaasi muundamiseks orgaaniliseks aineks, mille kõrvalproduktina eraldus vaba hapniku. Alguses ei kogunenud see hapnik atmosfääris, sest erinevad «hapniku neelajad» sidusid selle kiiresti.
Peamised hapniku neelajad olid orgaaniline aine ja meredes lahustunud raud. Maa varajases ookeanis oli palju lahustunud raua, sest selle lahustuvus on suurem raua teatud olekutes kui nende oksiididel. Vaba hapnik oksüdeeris selle raua, muutes selle raudoksiidiks, mis sadestus ja tekitas suures koguses rauakihte ehk arhea ja proterosoilise ajastu rauakivimina. Kui need redutseerivad varud (raud, vulkaanilised redukteerivad gaasid jms) enam hapnikku siduda ei suutnud, hakkas vaba hapnik järk-järgult kogunema ookeanist ja lõpuks ka atmosfääri. See üleminek ongi GOE tuum.
Tõendid
- Suured rauakivimoodustised (banded iron formations) näitavad, et ookeanid olid varem rauarikad ja hapniku tekkimisel raua oksüdatsiooniga moodustusid kihilised rauakivimid.
- Keemilised signatuurid, näiteks muudatused väävli isotoopide fraktsioneerimises (mass-independent fractionation) viitavad sellele, et peale GOE muutusid atmosfääri redox-olud.
- Fossiilid ja mikrofossiilid, näiteks stromatoliidid, annavad tunnistust aktiivsest fotosünteesist varajases biosfääris.
Tagajärjed elule ja kliimale
GOE-l olid kaugeleulatuvad mõjud:
- Toksilisus anaeroobidele: Paljudele tol ajal elanud anaeroobsetele organismidele oli vaba hapnik toksiline. See tõi kaasa massilise ümberkorralduse elustikus — mõned liigid hukkusid (välja surnud), teised kohanesid või kolisid hapnikuvabadesse keskkondadesse.
- Mõju atmosfäärile ja kliimale: Vaba hapnik reageeris ka atmosfääris oleva metaaniga (metaanile), mis on tugev kasvuhoonegaas. Metaani kadu vähendas kasvuhooneefekti ja võib olla seotud Huroniani jääajaga (Huuroni jääaja, umbes 2,4–2,1 miljardit aastat tagasi), mis võib olla üks varajasi väga külmi perioode Maal ja mõne hinnangu järgi isegi lumepall Maa episoodide eellane.
- Osoonikihi teke: Atmosfääris kogunenud hapnik võimaldas hiljem tekkida osoonikihil (O3), mis vähendas maapinna UV-kiirgust ja tekitas tingimused Maa pinnale ja maismaale liigse kiirguse vähenemiseks.
- Aerobne ainevahetus ja keerukuse kasv: Hapniku olemasolu võimaldas tekkida efektiivsematel aeroobsetel ainevahetustel, mis annavad organismidele rohkem energiat võrreldes anaeroobsete mehhanismidega. See lõi eelduse keerukamate rakkude (eukarüootide) ja lõpuks mitmerakulise elu evolutsiooniks.
Märkus tähtsuse kohta
GOE ei olnud ühekordne kiire sündmus, vaid pikk ja koosseise muutev protsess, kus bioloogilised, keemilised ja geoloogilised mehhanismid mõjutasid üksteist. Tsüanobakterid ja nende struktuurid, näiteks stromatoliite, on olulised tunnistused selle protsessi bioloogilisest rindest. Pärast GOE on hapnik olnud pidevalt oluline komponent atmosfääris ning üks peamisi tegureid Maa elukeskkonna kujunemises.
Viited ja lisalugemine: uurimused GOE kohta tuginevad geokeemilistele analüüsidele, paleomõõtmistele ja fossiilsetele andmetele, mis koos annavad pildi sellest, kuidas vaba hapnik Maa pinnal tõusis ja mida see muutis.
O2 kogunemine Maa atmosfääris. Punased ja rohelised jooned tähistavad hinnangute vahemikku, samal ajal kui aega mõõdetakse miljardites aastates (Ga). 1. etapp (3,85-2,45 Ga): O2 atmosfääris praktiliselt puudub. etapp (2,45-1,85 Ga): O2 tekib, kuid neeldub ookeanides ja merepõhja kivimites. etapp (1,85-0,85 Ga): O2 hakkab ookeanidest gaasistuma, kuid neeldub maismaapinnal. 4. ja 5. staadium (0,85 - praegu): O2 vajub täis ja gaas koguneb.
Ajastus
Tõendid näitavad, et vaba hapnikku tekitasid esmalt fotosünteetilised organismid (prokarüootilised, hiljem eukarüootilised), mis eraldasid hapnikku jäätmetena. Need organismid elasid ammu enne suundumuspärase elektrienergia tekkimist, ehk 3500 miljonit aastat tagasi (mya). Nende poolt toodetud hapnik oleks kiiresti eemaldatud atmosfäärist "massilise roostetamise" käigus, mis viis rauakihi moodustiste ladestumiseni. Hapnik hakkas atmosfääris väikestes kogustes püsima alles veidi (~50 miljonit aastat) enne suundumusliku arengueelse ajajärgu algust. Ilma tõmbeta koguneks hapnik väga kiiresti. Tänapäeva fotosünteesi kiiruse juures (mis on palju suurem kui maataimedeta eelkambriumi ajal) võiks tänapäeva atmosfääri O2 tase tekkida umbes 2000 aasta jooksul.
Kokkuvõte:
- 3500 mya Arhea eon: hapniku tootmine tsüanobakterite poolt stromatoliitides.
- Hapnik põhjustab raua ladestumist raudoksiididena rauakivimites.
- c. 2400 mya Paleoproterosoikumi ajastu: vaba hapnik pääseb atmosfääri, enamasti imendub maismaal.
- c. 850 mya Neoproterosoikumi ajastu: hapnik hakkab atmosfääri kogunema. Jätkub paleosoikumi ajal kuni tänapäevani.
Küsimused ja vastused
K: Mis on Suur Hapnikuüritus (Great Oxygenation Event, GOE)?
V: GOE oli vaba hapniku teke meie atmosfääris, mille põhjustasid fotosünteesi tegevad tsüanobakterid. See toimus pika aja jooksul, kolm miljardit aastat tagasi kuni umbes miljard aastat tagasi.
K: Kuidas toimus suundumuslik arenguhapniku teke?
V: Enne GOE-d püüdsid orgaanilised ained ja lahustunud raud keemiliselt kinni igasuguse vaba hapniku. Kui ei jäänud enam piisavalt rauda, et rohkem hapnikku kinni püüda, kogunes atmosfääri vaba hapnik, mis oligi suundumuslik areng.
K: Millised olid suundumuspärase heite tagajärjed?
V: Hapnik oli toksiline enamikule Maa anaeroobsetele elanikele sel ajal, mistõttu paljud neist surid välja. Vaba hapnik reageeris ka atmosfääri metaaniga, mis on kasvuhoonegaas, eemaldades selle ja põhjustades Huroni liustiku - ehk kõige pikema lumepalli-Episoodi Maa ajaloos. Vaba hapnik on sellest ajast saadik olnud meie atmosfääri oluline osa.
K: Mis on stromatoliidid?
V: Stromatoliidid on tsüanobakterite poolt moodustatud kihilised struktuurid, mida võib leida madalates veekeskkondades, näiteks laguunides ja loodete basseinides. Need tekivad, kui bakterid püüavad oma limaskihi sisse setteosakesi ja moodustavad aja jooksul üksteise peale matte.
K: Kuidas mõjutas fotosüntees Maad enne ja pärast GOE-d?
V: Fotosüntees tootis hapnikku nii enne kui ka pärast suundumuspärase elektrienergia tekkimist; enne seda oli aga kogu vaba hapnik orgaanilise aine või lahustunud raua poolt kinni püütud, samas kui pärast seda võis meie atmosfääri koguneda osa vaba hapnikku, kuna raua puudus, et seda enam kinni püüda.
K: Millal see sündmus toimus?
V: Suur hapnikusündmus toimus kolm miljardit aastat tagasi kuni umbes miljard aastat tagasi.
Otsige