כוכב הלכת שלנו הוא מערכת מורכבת שמתפתחת באופן דינמי כבר יותר מ-4.5 מיליארד שנים. כל המרכיבים של מערכת זו (הגוף המוצק של כדור הארץ, ההידרוספירה, האטמוספרה, הביוספרה), באינטראקציה זה עם זה, השתנו ללא הרף במערכת יחסים מורכבת, לפעמים לא ברורה. כדור הארץ המודרני הוא תוצאת ביניים של האבולוציה הארוכה הזו.
אחד המרכיבים החשובים ביותר של המערכת שכדור הארץ הוא - האטמוספירה, שנמצאת במגע ישיר עם הליתוספירה, ועם מעטפת המים, ועם הביוספרה ועם קרינת השמש. בשלבים מסוימים של התפתחות הפלנטה שלנו, האטמוספירה עברה שינויים משמעותיים מאוד עם השלכות מרחיקות לכת. שינוי עולמי אחד כזה נקרא אסון החמצן. המשמעות של אירוע זה בהיסטוריה של כדור הארץ היא גדולה במיוחד. אחרי הכל, אתו הייתה קשורה המשך התפתחות החיים על הפלנטה.
מהי קטסטרופה חמצן
המונח עלה בתחילת המחצית השנייה של המאה ה-20, כאשר, בהתבסס על חקר תהליכי השקיעה הקדם-קמבריית,מסקנה לגבי העלייה הפתאומית בתכולת החמצן עד 1% מכמותה הנוכחית (נקודות פסטר). כתוצאה מכך, האטמוספירה קיבלה אופי מחמצן בהתמדה. זה, בתורו, הוביל להתפתחות צורות חיים המשתמשות בהנשימת חמצן יעילה הרבה יותר במקום תסיסה אנזימטית (גליקוליזה).
מחקר מודרני ביצע חידודים משמעותיים לתיאוריה הקיימת בעבר, והראה שתכולת החמצן על פני כדור הארץ הן לפני ואחרי הגבול הארכאי-פרוטרוזואיקון תנודה משמעותית, ובאופן כללי ההיסטוריה של האטמוספירה הרבה יותר מסובכת מבעבר מחשבה.
אווירה עתיקה ופעילויות של חיים פרימיטיביים
לא ניתן לקבוע את ההרכב הראשוני של האטמוספירה בדיוק מוחלט, ולא היה סביר שהוא היה קבוע באותה תקופה, אבל ברור שהוא התבסס על גזים געשיים ותוצרי האינטראקציה שלהם עם הסלעים של פני כדור הארץ. זה משמעותי שביניהם לא יכול להיות חמצן - זה לא מוצר וולקני. האווירה המוקדמת הייתה אפוא משקמת. כמעט כל החמצן האטמוספרי הוא ממקור ביוגני.
תנאי גיאוכימיים ובידוד כנראה תרמו להיווצרות מחצלות - קהילות שכבות של אורגניזמים פרוקריוטיים, וחלקם כבר יכלו לבצע פוטוסינתזה (ראשון אנוקסגני, למשל, על בסיס מימן גופרתי). די מהר, כנראה כבר במחצית הראשונה של הארכאין, ציאנובקטריות שלטו בפוטוסינתזה של חמצן באנרגיה גבוהה,שהפך להיות האשם בתהליך, שקיבל את השם של אסון החמצן בכדור הארץ.
מים, אטמוספירה וחמצן בארכאן
יש לזכור שהנוף הפרימיטיבי נבדל בעיקר בעובדה שכמעט ולא לגיטימי לדבר על גבול יבשתי-ים יציב לאותו עידן בשל השחיקה האינטנסיבית של האדמה עקב היעדר צמחים. נכון יותר יהיה לדמיין אזורים נרחבים המוצפים לעתים קרובות בקו חוף מאוד לא יציב, כאלה היו התנאים לקיומם של מחצלות ציאנובקטריאליות.
החמצן ששוחרר על ידם - חומרי פסולת - נכנס לאוקיינוס ולתחתית, ולאחר מכן לשכבות העליונות של האטמוספירה של כדור הארץ. במים הוא חימצן מתכות מומסות, בעיקר ברזל, באטמוספירה - הגזים שהיו חלק ממנה. בנוסף, הוא הושקע על חמצון של חומרים אורגניים. לא התרחשה הצטברות חמצן, רק עליות מקומיות בריכוזו התרחשו.
ביסוס ארוך של אווירה מחמצנת
כיום, גל החמצן של קצה הארכאן קשור לשינויים במשטר הטקטוני של כדור הארץ (היווצרות הקרום היבשתי האמיתי והיווצרות טקטוניקת הלוחות) ולשינוי באופי הפעילות הוולקנית הנגרמים על ידי אוֹתָם. זה הביא לירידה באפקט החממה ולקרחון ארוך של הורון, שנמשך בין 2.1 ל-2.4 מיליארד שנים. ידוע גם שהקפיצה (לפני כ-2 מיליארד שנה) גררה ירידה בתכולת החמצן, שהסיבות לה עדיין לא ברורות.
במהלך כמעט כל הפרוטרוזואיקון, עד לפני 800 מיליון שנים, ריכוז החמצן באטמוספרה השתנה, אך נותר, עם זאת, בממוצע נמוך מאוד, אם כי כבר גבוה יותר מאשר בארכאאן. ההנחה היא שהרכב כל כך לא יציב של האטמוספירה קשור לא רק לפעילות ביולוגית, אלא גם במידה רבה לתופעות טקטוניות ולמשטר הגעש. אנו יכולים לומר שאסון החמצן בהיסטוריה של כדור הארץ נמשך כמעט 2 מיליארד שנים - זה לא היה אירוע אלא תהליך מורכב ארוך.
חיים וחמצן
הופעתו של חמצן חופשי באוקיינוס ובאטמוספירה כתוצר לוואי של פוטוסינתזה הובילה להתפתחותם של אורגניזמים אירוביים המסוגלים להטמיע ולהשתמש בגז הרעיל הזה בחיים. זה מסביר חלקית את העובדה שחמצן לא הצטבר במשך תקופה כה ארוכה: צורות חיים הופיעו די מהר כדי לנצל אותו.
התפרצות החמצן בגבול הארכאית-פרוטרוזואיקונית תואמת את מה שנקרא אירוע לומגונדי-יטולי, אנומליה איזוטופית של פחמן שעברה דרך המחזור האורגני. ייתכן שהזינוק הזה הוביל לעליית החיים האירוביים המוקדמים, כפי שמדגים הביוטה של פרנקוויל המתוארכת לפני כ-2.1 מיליארד שנים, הכוללת כביכול את האורגניזמים הרב-תאיים הפרימיטיביים הראשונים על פני כדור הארץ.
בקרוב, כפי שכבר צוין, תכולת החמצן ירדה ולאחר מכן נעה סביב ערכים נמוכים למדי. אולי הבזק חיים שגרם לצריכה מוגברת של חמצן,שהיה עדיין קטן מאוד, מילא תפקיד מסוים בסתיו הזה? עם זאת, בעתיד, עתידים להיווצר סוג של "כיסי חמצן", שבהם החיים האירוביים התקיימו בצורה נוחה למדי ועשו ניסיונות חוזרים ונשנים "להגיע לרמה הרב-תאית".
השלכות ומשמעות של אסון החמצן
אז, השינויים העולמיים בהרכב האטמוספירה לא היו, כפי שהתברר, קטסטרופליים. עם זאת, ההשלכות שלהם באמת שינו באופן קיצוני את הפלנטה שלנו.
צצו צורות חיים שבונות את פעילות חייהם על נשימת חמצן יעילה ביותר, מה שיצר את התנאים המוקדמים לסיבוך האיכותי הבא של הביוספרה. בתורו, זה לא היה מתאפשר ללא היווצרות שכבת האוזון באטמוספירה של כדור הארץ - תוצאה נוספת של הופעת חמצן חופשי בה.
בנוסף, אורגניזמים אנאירוביים רבים לא יכלו להסתגל לנוכחות הגז התוקפני הזה בבית הגידול שלהם ומתו, בעוד שאחרים נאלצו להגביל את עצמם לקיום ב"כיסים" נטולי חמצן. על פי הביטוי הפיגורטיבי של המדען הסובייטי והרוסי, המיקרוביולוג G. A. Zavarzin, הביוספרה "התהפכה מבפנים החוצה" כתוצאה מאסון החמצן. התוצאה של זה הייתה אירוע החמצן הגדול השני בסוף תקופת הפרוטרוזואיקון, שהביא להיווצרות סופית של חיים רב-תאיים.
