Klimatické změny a jejich odraz ve vývoji života na Zemi Část 3. Vnik moderní atmosféry a Země v ledovém sevření Tomáš Kumpan kumpan@sci.muni.cz Ústav geologických věd PřF MUNI 2024 #Hastag Konference 1 2 Složení současné atmosféry Země Objemová % dusík N2 78,1 kyslík O2 21,0 argon Ar 0,9 oxid uhličitý CO2 0,03 https://sciexplorer.blogspot.com/2012/01/earths-atmosphere-part-2-composition.html https://sciencephotogallery.com/featured/2-earth-from-space-nasa.html Moderní Zemi můžeme lidským okem vidět jako modrozelenou planetu. Modrá je proto, že voda v tekutém skupenství absorbuje celé barevné spektrum viditelného světla kromě modré. Zelená díky sinicím, rostlinám a jejich chlorofylu. V daleké minulosti se však chemické složení atmosféry a oceánů měnilo, společně s organizmy, které Zemi obývaly - s tím se měnila i barevná podoba Země během prvních miliard let její existence 4,5 Ga 3,5 Ga 3 Ga 2,6 Ga 700 Ma Ga (giga annum) = miliardy let Ma (mega annum) = miliony let Ka (kilo annum) = tisíce let 4 ̶ Jaké procesy vedly k zásadním změnám chemického složení atmosféry a oceánů? ̶ Jaký vliv měla změna složení atmosféry na vývoj dalších geosfér, především biosféry? ̶ Následující část kurzu představí ty nejzásadnější milníky ve vývoji života na pozadí klimatických, geologických oceánografických a dalších změn ̶ Sledován bude vývoj (paleo)ekologických vztahů ̶ Probírané události velmi názorně dokumentují provázanost všech přírodních složek/systémů a vzájemné působení mezi „živou“ a „neživou“ přírodou ̶ Začneme v nejvzdálenější historii Země a budeme pokračovat až do současnosti Vznik Země Fe+Ni Lehčí prvky Pevné jádro Kůra Tekuté jádro Plášť (ultrabazická tavenina) - vznik vesmíru před 15 miliardami lety - vznik Země před 4,54 miliardami let - shluknutím zbytkového oblaku prachu a plynu , který rotoval kolem Slunce po jeho vzniku - Vznik protoplanety – dále srážky s meteority (železné meteority – jádro; kamenné chondrity – plášť) - raná Země byla tvořena především taveninou (magmatem) https://www.science.org/doi/10.1126/science.aad8563 - oddělování prvků podle hustoty do jednotlivých slupek Země (Fe+Ni) do jádra, lehčí prvky do pláště a do kůry) Hypotéza vzniku jádra nárazy 6 https://www.livescience.com/43584-earth-oldest-rock-jack-hills-zircon.html Hadaikum • nejstarší období geologického času (podle ř. boha podsvětí Háda) • povrch Země byl neustále natavován nárazy meteoritů a enormní magmatickou činností • hmotné doklady ve formě jednotlivých minerálních zrn (nejstarší zirkon 4,4 miliard let), uchovaných v mladších sedimentárních horninách 6 archaikum proterozoikum KVÍZ 5 7 Atmosféra v hadaiku • Chemické složení nejstarších zirkonů dokládá, že už v hadaiku existovaly první oceány a atmosféra • Atmosféra byla nejprve složena z vodíku, hélia, metanu, čpavku • Při postupném chladnutí a tuhnutí povrchu se vlivem vulkanického odplyňování její složení změnilo a převažovala vodní pára, metan a čpavek https://i.stack.imgur.com/X9asV.gif ARCHAIKUM (prahory) • acastské ortoruly (přeměněné „žuly“ tonality) z Kanady mají datace mezi 4,2 az 3,5 Ga, jsou tak nejstaršími horninami (hornina je složena z minerálů) • hranice mezi hadaikem a archaikem byla stanovena na dobu před 4 miliardami let – hranice jednotek geologického času jsou však jinak většinou vztažené k nějaké konkrétní globální události 9 https://www.geologyin.com/2015/12/the-oldest-known-rock-on-planet-earth.html Archaikum Archaický svět byl světem oceánů – minimum kontinentů; kontinentální kůra postupně narůstá jako struska při pochodech deskové tektoniky archaikum proterozoikum 10 Atmosféra archaika https://en.wikipedia.org/wiki/Archean#/media/File:NASA-EarlyEarth-PaleOrangeDot-20190802.jpg https://www.britannica.com/topic/evolution-of-the-atmosphere-1703862 • vznik vulkanickým odplyněním Země • především dusík a oxid uhličitý + metan, H2O, CO, H2 • světle oranžové zbarvení atmosféry s významnou přítomností metanu (podobně jako měsíc Titan) • bez volného kyslíku • Dokladem pro absenci kyslíku jsou výskyty sedimentárních hornin, složených z úlomků minerálů, jako je uraninit, pyrit a další • Tyto minerály se při kontaktu s O2 velmi rychle přeměňují na jiné minerály nebo jsou rozpuštěné http://geologie.vsb.cz/loziska/loziska/energsur/uraninit.html Tyto minerály byly ovšem běžně ukládány ve vodním i suchozemském prostředí archaika – musel tedy chybět volný atmosférický O2 + celá řada geochemických dokladů (izotopické složení síry v sedimentech) Nejstarší záznamy života #Hastag KonferenceGeologie pro výuku na ZŠ a SŠ • Z archaika jsou známé nejstarší doklady života • Nejstarší jsou chemofosilie (3,9 Ga) - Chemofosilie jsou organické molekuly nebo izotopické poměry, u kterých je znám původ pouze z živých organizmů - Samotné organizmy (bakterie, archeobakterie) se nezachovaly, jen jejich chemický „otisk prstu“ 12 Grafit v zirkonu (izotopicky lehký uhlík, vyskytující se pouze v organické hmotě) Fosilie a chemosfosilie (archaea, bakterie) https://www.quantamagazine.org/fossilized- molecules-reveal-a-lost-world-of-ancient-life- Nejstarší záznamy života #Hastag Konference 13 Grafit v zirkonu (izotopicky lehký uhlík, vyskytující se pouze v organické hmotě) Stromatolity (bakterie) https://ars.els-cdn.com/content/image/3-s2.0- B9780124095489119748-f11974-10-9780081029084.jpg https://www.mq.edu.au/research/research-centres-groups-and-facilities/groups/organic-geochemistry/our-projects/archaean-stromatolites signal-of-the-great-oxidation-event Fosilie a chemosfosilie (archaea, bakterie) https://www.sciencenews.org/article/oldest-archaea-microbe-fossil-fillaments-life-evolution Geologie pro výuku na ZŠ a SŠ • Fosilie mikrobů (3,7 Ga) Stromatolity (bakterie) 14https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825220303421 Jedny z nejstarších zkamenělých organizmů – bakterie (3,7 – 3,5 miliard let), archaea (3,5 miliardy let) Anaerobní ekosystémy archaika 15 ̶ bezjaderné organizmy (a viry?) se vyvíjely v redukčních (anoxických) oceánech (tedy bez kyslíku) s vysokou kyselostí, převládaly anaerobní organizmy ̶ Většina autotrofů se v archaiku živila rozpuštěným Fe, S a absorboval metan a čpavek (chemosyntéza). ̶ Fotosyntetizující organizmy využívaly v archaiku retinal namísto chlorofylu (nevzniká O2, ale volná síra) ̶ retinal odráží fialovou barvu – biosféra povrchu Země tak měla nejspíše fialovou barvu namísto zelené https://en.wikipedia.org/wiki/Purple_Earth_hypothesis Základem potravních řetězců jsou autotrofové – organizmy, které vytváří chemosyntézou nebo fotosyntézou z abiotických sloučenin organické. Autotrofové jsou potravou pro heterotrofy, kteří syntéz nejsou schopni. PROTEROZOIKUM (starohory) 17 Sinice https://algaeplanet.com/cyanobacteria-as-a-surrogate-mother-for-meat-like-proteins/ • Z různých bezjaderných organizmů stojí za zmínku kmen sinic (cyanobakterie) – jsou zásadním organizmem Země • Nezpochybnitelné fosilie sinic až od 1,9 Ga, diskutabilnější nálezy jsou už z archaika • Sinice využívají porfyrinovou (chlorofylovou) fotosyntézu - ta je doložena geochemicky už z archaika • v thylakoidních membránách dochází k syntéze uhlovodíků – cukrů - za účasti slunečního záření reaguje CO2 a H2O • odpadním produktem syntézy je O2 (na rozdíl od retinalové fotosyntézy produkující síru) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6880289/ 18 • Sinice jsou velmi hojné v mnoha prostředích • Při velké dostupnosti živin (eutrofizace vod) a světla se mohou přemnožit • Známe např. z letních vodních nádrží jako vodní květ https://www.bridgewaterenviro.com/wp-content/uploads/2021/09/Cyanobacteria_Aggregation2.jpg 19 Některé sinice (a jiné bakterie) rostou v povlacích, vrstvičkách a rohožích. V nich může během jejich života (i po něm) krystalizovat minerál kalcit nebo aragonit (nebo jiné minerály; nebo taky žádné). Generace sinic za generacemi narůstají ve vrstvičkách na sebe a vzniká mikrobiální hornina (mikrobialit). Nejvýraznější jsou stromatolity (první stromatolity před 3,7 - 3,5 miliardami let) https://newsroom.unsw.edu.au/news/s cience-tech/stromatolites-fossils- earliest-life-earth-may-owe-existence- viruses https://www.aquaportail.com/dictionnaire/definition/1522/stromatolithe https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stromatolite_%28Fort_Laclede_Bed,_Laney_Mem ber,_Green_River_Formation,_Lower_Eocene;_ancient_Lake_Gosiute,_southwestern_Wyo ming,_USA%29_1_%2815009280980%29.jpg https://woostergeologists.scotblogs.wooster.edu/201 7/11/17/woosters-fossils-of-the-week-encrusting- cyanobacteria-from-the-upper-ordovician-of-the- cincinnati-region/ https://youtu.be/45mF7ZHWMaw?si=VyClkY4qy5h6H1B4 Stromatolity ovšem mohou tvořit i jiné bakterie než sinice – ty nejstarší jsou tedy spornými doklady 20 Velká oxidační událost aneb Velká kyslíková katastrofa - sinice, využívající k fotosyntéze chlorofyl, postupem času vytvářely stále více O2 (+ „dark oxygen“?) - v rozmezí od 2.5 do 2,1 miliard let došlo ke „skokovému“ nárůstu koncentrace O2 (uvozovky kvůli skoku trvajícím 400 milionů let :) - koncentrace O2 vzrostla až na 10 % dnešního stavu • Kyslík z fotosyntézy reagoval v oceánech s železem, manganem, uranem, sírou, molybdenem atd., které uvolňoval vulkanizmus • Byl tak z oceánské vody odebírán do minerálů, které oxidačními chemickými reakcemi mezi O2 a Fe, U nebo S vznikaly a hromadily se na dně oceánu • Vulkanická aktivita byla v hadaiku a archaiku obrovská, postupně však slábla • Naopak narůstalo množství fotosyntetizujících organizmů, které produkovaly O2 • Kyslík produkující organizmy existovaly i před touto událostí. Proč tedy došlo ke skokovému růstu? https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-13-3639-3_17 https://en.wikipedia.org/wiki/Banded_iron_formation#/media/File:Banded_iron_formation_Dales_Gorge.jpg 21 Příčiny velké kyslíkové katastrofy ̶ jak přibývalo biomasy a O2, docházelo k stále většímu množství oxidačních reakcí s Fe2 v oceánech ̶ Produktem oxidace Fe je Fe2O3, který tvoří nerozpustné minerály – např. hematit a goethit ̶ Tyto minerály se hromadily v sedimentech ̶ Fe2 tak z oceánu rychle zmizelo a kyslík s ním už nemohl masově reagovat – a začal se v oceánu hromadit ̶ Za spoluúčasti bakterií vznikly velmi specifické sedimenty - páskované železné rudy (BIF – Banded Iron Formation) ̶ Jedná se o světově největší ložiska pro těžbu železa https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1342937X2100263X-ga1_lrg.jpg Země měla během událostí vzniku BIF pravděpodobně červenavé zbarvení 23 ̶ Zrychlování spotřeby Fe2 z oceánů dokládá enormní výskyt páskovaných železných rud před velkou kyslíkovou událostí (méně hojné výskyty byly pak ještě ve zbytku období proterozoika, kdy nebylo mnoho kyslíku; později už nevznikaly) ̶ Po velké kyslíkové události začaly vznikat červené kontinentální pískovce nebo hornina sádrovec, které potřebují ke vzniku volný O2 - tyto horniny nejsou před velkou kyslíkovou událostí známé z žádného místa na Zemi https://www.nature.com/articles/s41467-021-23286-7 https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-13-3639-3_17 24 Následky velké kyslíkové katastrofy • velká kyslíková událost, způsobená sinicemi vedla k: • mnoho prvků se v blízkosti zemského povrchu vyskytuje v jedné nebo více oxidovaných formách (2 500 z celkového počtu asi 4 500 minerálů nalezených dnes na Zemi) • oxidace je jeden z hlavních procesů chemického zvětrávání (vedoucí k - uvolňování iontů a molekul do vody – ty fungují jako živiny – odjímání CO2 do biomasy - nebo k odjímání CO2 z atmosféry do produktů zvětrávání – významné z pohledu změn klimatu) • nárůst O2 a změny zvětrávání zvýšili dostupnost volné energie pro organizmy • to vedlo k rychlému rozvoji nových typů organizmů • vznik „moderního“ biologického cyklu uhlíku – významné z pohledu změn klimatu Vzniku nových minerálů Zesílení zvětrávání Zvýšení dostupnosti živin Změně složení atmosféry a hydrosféry Následky velké kyslíkové katastrofy: Země jako sněhová koule • ze sedimentů doby velké kyslíkové události (a pak ještě několikrát během proterozoika) pocházejí záznamy o nejvýraznějším globálním poklesu teplot v historii Země, •Nálezy sedimentárních a geologických struktur, které vytvořily ledovce v proterozoických horninách - od pólu k rovníku (tillity, rýhování, dropestones) • tzv. Snowball Earth Hypothesis – Země prodělala mohutné zalednění, (téměř?) globálního (?) rozsahu https://www.snowballearth.org/week1.html 26 • konkrétní příčiny „snowball“ klimatického režimu jsou stále v hledáčku výzkumů, ale mnoho dokladů svědčí pro to, že okysličení atmosféry vyvolalo řetězec změn se smyčkami pozitivních zpětných vazeb odjímání CO2 z atmosféry 1) oxidace hojného atmosférického metanu na slabší skleníkové plyny CO2 a H2O - zeslabení skleníkového efektu atmosféry 2) zvyšování intenzity chemického zvětrávání díky O2 v atmosféře - odjímání CO2 z atmosféry - zeslabení skleníkového efektu atmosféry https://www.nature.com/articles/s41586-023-06581-9 27 3) Pohřbívání organické hmoty - růst koncentrací O2 v oceánech (a stále více živin ze zvětrávání) stimuloval výrazný rozvoj biomasy - odumřelá biomasa = organická hmota (Corg), klesala z prokysličených svrchních částí oceánů na neokysličená hluboká oceánská dna - usazovaly se jíly bohaté na organickou hmotu, ze kterých vznikají černé břidlice - V mělkých částech moří rostly a srážely se vápence (odjímání Ccarb; v proterozoiku především stromatolity a anorganické srážení) - odjímání CO2 - zeslabení skleníkového efektu atmosféry • „vítězství aerobního metabolismu“ • evoluční tlak prostředí zvýhodnil organizmy s aerobním metabolizmem, pro které nebyl O2 toxický (metabolismus = vytváření energie pro životní funkce a stavbu organické hmoty aerobní metabolismus = chemický proces, při kterém se kyslík používá k výrobě energie ze sacharidů) Anaerobní archeobakterie a bakterie při kyslíkové katastrofě 1) vymřely (pravděpodobně největší vymírání všech dob) 2) stáhly se do prostředí bez kyslíku - do sedimentu, hydrotermálních vývěrů, hlubokých oceánů 3) přizpůsobily se – vznik moderních jaderných buněk (eukaryota) Evoluční výhoda aerobního metabolismu: - vytváří mnohem efektivněji energii nežli anaerobní - 1000 x více biosyntetických reakcí než anaerobní - mohou vznikat uhlovodíky s dlouhými řetězci: steroidy, alkaloidy, mastné kyseliny, tvořící organely a membrány buněk Následky velké kyslíkové katastrofy: vymírání v anaerobních ekosystémech https://www.nature.com/articles/s41579-021-00583-y - přizpůsobení přežívajících archaea prostřednictvím endosymbiózy s aerobními bakteriemi mohla vést k vzestupu jaderných (eukaryotických) organizmů Spolupráce se vyplácí - symbiózou k novým formám života Vznik jaderných buněk – doklad o jedné z nejstarších (a „osudových“) symbióz Endosymbiotická teorie vzniku jaderných organizmů (eukaryot) Větší anaerobní archaea byla „obydlena“ aerobní bakterií ̶ pohlcená bakterie „detoxikuje“ prostředí hostitelské buňky od kyslíku a využívá ho k uvolnění energie uložené v živinách ̶ hostitelská archaea bakteriální buňce dodává organické živiny a chrání ji před okolními vlivy (např. predátory) https://organismalbio.biosci.gatech.edu/biodiversity/eukaryotes-and-their-origins/ - během mnoha generací se mezi nimi vyvinul symbiotický vztah tak dokonale, že buňky nemohly přežít sami - potomci této pohlcené buňky jsou dnes přítomni ve všech eukaryotických buňkách jako organely mitochondrie - ̶ Později během proterozoika došlo k pohlcení další bakterie – fotosyntetizující sinice - sinice získaly ochranu a hostitelská buňka „elektrárnu“ (zdroj energie z fotosyntézy) - během prohlubování symbiózy ze sinic vznikly organely chloroplasty https://organismalbio.biosci.gatech.edu/biodiversity/eukaryotes-and-their-origins/ - Zmíněné vztahy dokládají zásadní evoluční momenty ve vývoji vyšších organizmů - nejprve vznikla evoluční linie všech eukaryot mající mitochondrie - v ní společný předek všech živočichů, hub, rostlin a řas - druhá symbiotická událost vedla k oddělení evoluční větve jaderných buněk schopných fotosyntézy - řas a rostlin Rozdělení hlavních větví stromu života Většina moderních eukaryot potřebuje minimální koncentraci molekulárního kyslíku k syntéze svých sterolových membrán. Geologie pro výuku na ZŠ a SŠ 32 Doklady nástupu prvních jaderných organizmů - chemofosilie - protosteroidy (nejstarší 1,8 miliardy let) - vytvářejí je fototrofní bakterie a primitivní eukaryota https://www.nature.com/articles/s41586-023-06170-w Geologie pro výuku na ZŠ a SŠ 33 - Mikrofosilie tvořené organickou stěnou, primitivní jaderné organizmy, (1,65 Ga) - umělá skupina akritarcha (nejisté systematické postavení v rámci primitivních eukaryot, „řasy“) https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3208 Plankton – většinou mikroorganizmy pasivně se vznášející ve vodě - běžně interpretována jako plankton Doklady nástupu prvních jaderných organizmů 34 ̶ nejstarší období vývoje Země je "prekambrium" (zaujímá 4 z 4,54 miliard let existence Země) ̶ rozděleno na obdbobí (eony) hadaikum, archaikum a proterozoikum ̶ vznik Země, atmosféry a hydrosféry v hadaiku ̶ složení atmosféry se raznatně měnilo od hadaika, přes archaikum do proterozoika ̶ velká kyslíková katastrofa v proterozoiku - nárůst kyslíku v atmosféře díky fotosyntéze - vyvolal pravděpodobně největší vymírání druhů (anaerobních), způsobené samotným životem (sinicemi) ̶ vymírání anaerobních ekosystémů ̶ vznik jaderných organizmů symbioźou anaerobní bakterie a aerobní archeobakteria (endosymbiotická teorie) ̶ hypotéza "Země jako sněhová koule" - extrémní doby ledové - jedny z prvních drastických klimatických změn, způsobené životem ̶ vznik mnohobuněčných organizmů - další symbiotické události, hnané změnami klimatu Co jsme se dnes naučili?