Artykuł w wersji audio
Już w piątej klasie szkoły podstawowej uczniowie dowiadują się na lekcji biologii, że węglowodany i tłuszcze to główne paliwa biologiczne. Ich spalanie dostarcza energii napędzającej wszelkie procesy życiowe. Szczególnie dużo tej energii potrzebują zwierzęta – stworzenia mobilne i aktywne. Dlatego tak ważny jest dla nich wolny tlen występujący w formie gazu. Jego pojawienie się w komórce organizmu rozpoczyna proces wyłuskiwania energii z nagromadzonych wcześniej węglowodorów i tłuszczów. Aby przeżyć, zwierzę musi nie tylko jeść i pić, ale też oddychać. Dotyczy to również rodziny hominidów, do której należy człowiek.
Jakiś czas temu naukowcy zwrócili uwagę na moment raptownego wzrostu poziomu tlenu w atmosferze, który trwa do dziś. Został on zanotowany wtedy, kiedy nasza planeta w krótkim czasie zaroiła się od niezliczonych organizmów wielokomórkowych przybierających różne formy i zaliczonych przez paleontologów do kilkudziesięciu różnych typów. Uczeni mówią o kambryjskiej eksplozji życia, która przed 541 mln lat dała początek erze paleozoicznej. Kambryjskiej, ponieważ kambr był pierwszym okresem geologicznym tej ery. Wiadomo jednak, że organizmy uznane za zwierzęce pojawiły się już kilkadziesiąt milionów lat wcześniej. Była to tak zwana fauna ediakarańska, która z początkiem kambru wyginęła.
Dwaj naukowcy – Benjamin Mills i Tianchen He z University of Leeds – od lat próbowali się dowiedzieć, jaką rolę w tym wymieraniu odegrał tlen. Ostatnio śledztwo zawiodło ich na Wyżynę Środkowosyberyjską – podróżowali tam kilkukrotnie w towarzystwie badaczy z Rosji i Chin. Plon tych wypraw to kilkadziesiąt kilogramów skał. Ich analiza zaprezentowana w tym roku na łamach „Nature Geoscience” ujawniła niezwykłą historię wzlotów i upadków zwierzęcych populacji limitowanych górkami i dołkami tlenowymi. Kiedy atmosfera ziemska wzbogacała się o duże ilości tlenu, zwierzęta kambryjskie rozmnażały się jak szalone, różnicowały i zajmowały nowe siedliska. Później jednak przychodził dół, podczas którego stężenie tlenu w atmosferze spadało poniżej progu wytrzymałości zwierząt – wtedy dochodziło do ich zagłady. Wańka-wstańka trwała kilkanaście milionów lat, aż w końcu doszło do tlenowego przesilenia. Królestwo zwierząt przetrwało i rozwinęło się, dzięki czemu kilkaset milionów lat później pojawili się ludzie.
Żywi producenci
Jakiemu szczęśliwemu splotowi okoliczności zawdzięczamy ten zbawienny zastrzyk życiodajnego gazu? Zacznijmy od tego, że przez pierwsze 2 mld lat ziemska atmosfera była praktycznie pozbawiona wolnego tlenu. I trudno się temu dziwić. Tlen to pierwiastek bardzo towarzyski, który ochoczo wiąże się z innymi pierwiastkami i związkami chemicznymi. Na dodatek tak się składa, że na planetach takich jak Ziemia są substancje, które równie chętnie wchodzą w reakcje z nim. To gazy emitowane przez wulkany, minerały w skałach, bogate w żelazo warstwy na dnie mórz czy wreszcie materiały organiczne wytworzone przez żywe organizmy. Pozostawcie tlen samemu sobie, a na pewno zniknie bez śladu. No, prawie – gazowa otoczka młodej Ziemi zawierała odrobinę tlenu uwalniającego się w wyniku rozbijania pary wodnej przez promieniowanie ultrafioletowe Słońca. Ale były to naprawdę aptekarskie ilości, znacznie mniej niż jedna cząsteczka na milion. Dla porównania: dziś jest go w atmosferze prawie 21 proc. – jedna cząsteczka na pięć.
Wszystko odmieniła magiczna sztuczka z udziałem wody, dwutlenku węgla i światła słonecznego: fotosynteza. Pierwsze, zdaniem naukowców, opanowały ją jednokomórkowe sinice. Te bakterie, dawniej uznawane za rośliny, są odporne i elastyczne, jak wszyscy pionierzy. Można je tak nazwać, bo należą do najstarszych ziemskich organizmów – prawdopodobnie pojawiły się w morzach co najmniej 3,5 mld lat temu. Mniej więcej pół miliarda lat później nauczyły się wykorzystywać energię słonecznych fotonów do rozbijania cząsteczek wody, aby pozyskany w ten sposób wodór przyłączyć do cząsteczek dwutlenku węgla. W ten zmyślny sposób syntetyzowały sobie związki organiczne potrzebne do życia. Tlen był produktem ubocznym tej biosyntezy, zbędnym i niezwłocznie oddawanym do otoczenia.
Ów odpad nie od razu zaczął się gromadzić w atmosferze. Z dwóch powodów.
Fotosyntetyzujące organizmy były jego jedynym producentem, ale kiedy umierały, ich ciała rozkładały inne organizmy, które do tego celu pobierały z atmosfery tlen. Bilans zwykle wynosił zero, a gdy pojawiała się jakakolwiek nadwyżka, nieznoszący samotności tlen natychmiast wiązał się z innymi gazami, skałami i minerałami. „Wynika z tego, że fotosynteza była warunkiem koniecznym, ale niewystarczającym do tego, by tlen zaczął się kumulować w powietrzu. Musiało się zdarzyć coś, co sprawiło, że planeta nie potrafiła już skonsumować całej nadwyżki tlenu. To coś miało fundamentalne znaczenie, przesądziło bowiem o przyszłości życia na Ziemi” – wyjaśnia Mills.
Pierwszy skok tlenowy nastąpił 2–2,2 mld lat temu. Stężenie gazu w atmosferze podskoczyło wtedy tysiące razy. To już nie była jedna cząstka na milion czy miliard, ale co najmniej jedna na sto. Badacze geologicznych dziejów globu nazwali to zdarzenie katastrofą tlenową, ponieważ ich zdaniem doszło wtedy do zagłady większości beztlenowych form życia, które wcześniej dominowały na planecie. Drugi skok, który okazał się nie mniejszym szokiem, nastąpił ponad miliard lat później i poprzedzał kambryjską eksplozję złożonego życia, w tym premierę zwierząt. W tym przypadku stężenie tlenu wspięło się z poziomu kilku do kilkunastu procent. Z badań Millsa i He wiemy jednak, że na tlenowe eldorado trzeba było jeszcze poczekać.
Martwi strażnicy
Ostatecznie o wszystkim zdecydowała geologia. Tak uważa Tim Lenton z University of Exeter, który od ponad dekady próbuje rozwikłać zagadkę sprzed ponad pół miliarda lat. Doszedł on do wniosku, że o szybkim – oczywiście w geologicznej skali czasu, czyli rozpisanym na miliony lat – wzroście stężenia tlenu w atmosferze ziemskiej zdecydowały przesunięcia wielkich płyt tektonicznych na powierzchni planety. W ich wyniku doszło do powstania na południowej półkuli wielkiego kontynentu o nazwie Gondwana. Jego narodziny zostały poprzedzone wielkimi erupcjami wulkanicznymi wyrzucającymi mnóstwo dwutlenku węgla. On podgrzał planetę trwającą do tej pory w długim i głębokim ochłodzeniu, co spowodowało, że ruszyły gigantyczne wietrzenie i erozja. Niszczony materiał trafiał do oceanów, a wraz z nim mnóstwo fosforu – pierwiastka o kluczowym znaczeniu biologicznym, wspomagającego wzrost organizmów. W morzach zaczął się karnawał życia – błyskawicznie przybywało jednokomórkowego drobiazgu, który produkował tlen.
I wtedy, zdaniem Lentona i jego współpracowników (jednym z nich jest Mills), zdarzyło się najważniejsze. Mała część oceanicznego drobiazgu, który za życia korzystał z karnawału, a po śmierci opadał na dno, nie uległa dekompozycji z udziałem tlenu cząsteczkowego, ale została błyskawicznie zagrzebana pod warstwą mułów – dowodzi w „Nature Communications”. Tlen, który nie mógł się dobrać do tej martwej materii organicznej, pozostawał niewykorzystany.
Choć do geologicznej „przechowalni” trafiała zapewne mniej niż jedna tysięczna całej biomasy wytworzonej w oceanach dzięki fotosyntezie, to swoje robił czas. A karnawał trwał bardzo długo. „W ten sposób jednokomórkowy drobiazg utorował drogę złożonym formom życia. To się zaczęło zaraz po tym, jak planeta wydobyła się z mrozów, czyli około 630 mln lat temu. Kilkadziesiąt milionów lat później doszło do kambryjskiej eksplozji życia” – tłumaczy Lenton.
Era paleozoiczna okazała się także erą tlenu. Do fotosyntetyzujących sinic, glonów i innych organizmów morskich dołączyły bowiem rośliny lądowe. W karbonie, przed 350 mln lat, na Ziemi pojawiły się bujne lasy, które produkowały mnóstwo materii organicznej. I znów: pewna jej część po śmierci zdołała uniknąć kontaktu z tlenem, np. w wyniku zalania przez wodę lub szybkiego zagrzebania pod warstwą osadów. W efekcie w atmosferze przybywało gazu, który utlenił już wszystko, co mógł, i nadal pozostawał niewykorzystany. W karbonie jego stężenie przekroczyło granicę 25 proc. i dalej rosło, co oczywiście odpowiadało zwierzętom.
Nieprzypadkowo właśnie wtedy powiększyły one swoje rozmiary – karbońskie lasy zamieszkiwały ważki o rozpiętości skrzydeł ponad pół metra i wije o długości ponad 2 m. Dostatek tlenu przyczynił się też zapewne do szybkiego rozwoju kręgowców, które w karbonie ruszyły na podbój kontynentów, początkowo trzymając się wód śródlądowych (płazy), a następnie uniezależniając się od środowiska wodnego (gady). W permie, ostatnim okresie ery paleozoicznej, gadzi ród reprezentowały już monstra mierzące 6 m długości i ważące ponad tonę.
I tak wolny tlen już pozostał na Ziemi. Jego poziom w kolejnych erach – najpierw dinozaurów, a potem ssaków – trochę się wahał, ale nigdy nie spadł poniżej 20 proc.
Nigdy też nie wzrósł powyżej 30 proc. Nawiasem mówiąc, Lenton uważa, że nie pozwalają na to pożary naturalne. „Kiedy w powietrzu przybywa tlenu, rośnie liczba pożarów niszczących szatę rośliną i przyspieszających dekompozycję materii organicznej. Z jednej strony mamy zatem malejącą podaż tlenu przez żywe rośliny, z drugiej – jego większe zużycie podczas dekompozycji. Dlatego poziom tlenu nie może przekroczyć pewnej bariery” – tłumaczy. Kilka lat temu on i Lee Kump z Pennsylvania State University opracowali nawet teoretyczny model tego systemu samokontroli ogniowej, przyznając jednak, że jego zweryfikowanie w warunkach rzeczywistych będzie bardzo trudne.
Rozsądni ludzie?
Losy wolnego tlenu już znamy. Co jednak z całą materią organiczną odizolowaną od niego i tkwiącą w geologicznej przechowalni? Chętnie z niej korzystamy. Ba, jesteśmy od niej uzależnieni. To paliwa kopalne. Ropa naftowa i gaz ziemny to nic innego jak martwe ciała dawnych mieszkańców mórz, a węgiel kamienny to pozostałości rozległych lasów tropikalnych sprzed około 300 mln lat.
„Martwej materii organicznej pochodzącej z dawnych epok mamy na Ziemi znacznie więcej niż żywej” – podkreśla Shanan Peters, geolog z University of Wisconsin-Madison, który znalazł wyraźną dodatnią korelację czasową pomiędzy powstawaniem wielkich złóż węglowodorów a stężeniem tlenu.
Nasuwa się refleksja, że to nie współczesne rośliny i sinice, ale pradawny plankton i pradawne lasy, które mamy dziś pod stopami, podarowały nam tlen, którym oddychamy. Peters podczas niedawnego kongresu szacownego amerykańskiego Paleontological Society zapytał: „Co by się stało z tlenem, gdybyśmy oszaleli i spalili całą ziemską biosferę?”. Miał na myśli wszystko, co żyje, z wyjątkiem ludzi – rośliny, włącznie z Puszczą Amazońską, zwierzęta, grzyby i bakterie, fitoplankton oceaniczny. „Jego poziom spadłby z 20,9 proc. do 20,4 proc.” – odpowiedział. I zaraz dodał, że zarazem poziom dwutlenku węgla podskoczyłby z 400 ppm do 900 ppm: „Mielibyśmy spore kłopoty z przetrwaniem na takiej przegrzanej Ziemi, ale tlenu do oddychania nie zabrakłoby nam przez wiele milionów lat”.
Kontekst tej wypowiedzi był jasny: zainicjowane przez człowieka wielkie pożary lasów, które w tym roku trawiły Amazonię. Bez wątpienia jest ta puszcza cudem natury, skarbnicą ziemskiej bioróżnorodności, globalnym regulatorem klimatu i oczywiście gigantycznym producentem tlenu, ale zarazem – jak podkreślają naukowcy – takim samym jego konsumentem. Z grubsza zużywa tyle samo, ile dostarcza. Peters zwraca uwagę, że znacznie silniej niż jej zniknięcie na skład atmosfery wpływa spalanie węgla, gazu i ropy. „Ta dawna materia organiczna, która przez setki milionów lat ukryta była w podziemnym schowku, jest dziś przez nas odkopywana i spalana na masową skalę. A im więcej jest w atmosferze dwutlenku węgla, tym mniej jest w niej tlenu” – zauważa.
Gdybyśmy więc w jakimś szale energetycznego głodu pokusili się o wyrwanie ze skał i spalenie całej nagromadzonej w nich materii organicznej, radykalnie zredukowalibyśmy ilość tlenu w powietrzu. Wtedy zawrócilibyśmy bieg historii i przywrócili świat, w którym nigdy nie było dla nas miejsca. Cała nadzieja w tym, że większość szczątków dawno wymarłych roślin i zwierząt, które jakimś cudem uniknęły kontaktu z tlenem, znajduje się dziś tak głęboko w skorupie ziemskiej, że nie mamy do nich dostępu. Przynajmniej na razie.