Záhada kyslíku: Mohla za ni pomalejší rotace Země?

Kyslík. Ten neviditelný plyn, který tvoří zhruba pětinu naší atmosféry, je pro nás tak samozřejmý jako vzduch, který dýcháme – doslova. Bez něj by komplexní život, jak ho známe, od nejmenšího hmyzu po největší velryby, včetně nás lidí, nemohl existovat. Ale naše planeta nebyla vždy takto pohostinná. Po dlouhé miliardy let byla Země světem bez volného kyslíku. Jak tedy došlo k této dramatické proměně? A proč nástup „kyslíkové éry“ trval tak neuvěřitelně dlouho poté, co se objevili první mikrobi schopní kyslík produkovat? Nová vědecká hypotéza přináší fascinující pohled: klíčem mohlo být postupné zpomalování rotace Země a s ním spojené prodlužování dne.

Dnes je pro nás kyslík (O2​) synonymem života. Naše buňky ho využívají v procesu buněčného dýchání k získávání energie z potravy. Ale v raných fázích historie Země, před zhruba 4,5 miliardami let, byla situace diametrálně odlišná. Atmosféra mladé Země byla tzv. redukční – obsahovala plyny jako metan, amoniak, vodní páru a oxid uhličitý, ale prakticky žádný volný kyslík. Život, který se v těchto podmínkách zrodil, byl anaerobní, tedy nepotřebující kyslík ke svému metabolismu. Pro mnohé z těchto raných organismů byl kyslík dokonce jedovatý.

Zlomovým okamžikem v historii naší planety byla Velká oxidační událost (Great Oxidation Event – GOE), někdy také nazývaná Kyslíková katastrofa nebo Kyslíková revoluce. Odehrála se zhruba před 2,45 až 2,32 miliardami let a představuje období, kdy koncentrace kyslíku v atmosféře a povrchových vodách oceánů začala dramaticky stoupat. Tento nárůst měl dalekosáhlé důsledky: vedl k vymírání mnoha anaerobních organismů, ale zároveň otevřel dveře evoluci nových, aerobních forem života, které se naučily kyslík využívat a které nakonec vedly až k nám.

Záhadou však zůstávalo, proč k GOE došlo tak pozdě. První organismy schopné produkovat kyslík fotosyntézou, známé jako sinice (cyanobakterie), se na Zemi objevily mnohem dříve – fosilní záznamy naznačují jejich existenci už před 3,5 miliardami let, možná i dříve. Proč tedy trvalo zhruba miliardu let, než se kyslík, který tyto sinice pilně vyráběly, začal v atmosféře hromadit ve významnějším množství? Tato miliardová prodleva byla dlouho předmětem vědeckých debat a nyní se zdá, že odpověď může ležet v souhře kosmických, geologických a biologických faktorů.

Hlavními hrdinkami našeho příběhu o vzniku kyslíku jsou sinice. Tyto mikroskopické, jednobuněčné organismy (ačkoliv často tvoří kolonie nebo vlákna) patří mezi nejstarší formy života na Zemi. Jsou to prokaryota, což znamená, že jejich buňky nemají pravé jádro ani jiné složité organely typické pro eukaryotické buňky (jako jsou buňky rostlin, živočichů či hub). Přesto v sobě skrývají neuvěřitelnou biochemickou továrnu – schopnost fotosyntézy.

Fotosyntéza je proces, při kterém organismy využívají energii slunečního záření k přeměně oxidu uhličitého (CO2​) a vody (H2​O) na organické sloučeniny (cukry, jako je glukóza C6​H12​O6​), které jim slouží jako zdroj energie a stavební materiál. Jako vedlejší produkt tohoto úžasného procesu se uvolňuje právě kyslík. Zjednodušená rovnice fotosyntézy vypadá takto:

6CO2​+6H2​O+slunecˇnıˊ energie→C6​H12​O6​+6O2​

Sinice byly prvními organismy, které „vynalezly“ tento typ fotosyntézy, produkující kyslík (tzv. oxygenní fotosyntéza). Před nimi sice existovaly jiné fotosyntetizující bakterie, ale ty využívaly jiné látky než vodu (např. sirovodík) a neprodukovaly kyslík (anoxygenní fotosyntéza).

Kyslík, který sinice začaly uvolňovat, byl pro tehdejší svět revoluční a zpočátku i destruktivní. Byl vysoce reaktivní a pro většinu tehdejších anaerobních organismů toxický. Postupně však začal měnit chemické složení oceánů a atmosféry. Než se ale mohl začít hromadit ve vzduchu, musel nejprve nasytit tzv. „kyslíkové jímky“ (oxygen sinks). To byla obrovská množství látek na povrchu Země a v oceánech, které s kyslíkem ochotně reagovaly. Patřilo sem například:

Teprve když byly tyto hlavní kyslíkové jímky z velké části nasyceny, mohl se volný kyslík začít hromadit v atmosféře a odstartovat tak Velkou oxidační událost. Produkce kyslíku sinicemi musela tedy po dlouhou dobu masivně převyšovat jeho spotřebu těmito jímkami. A právě zde vstupuje do hry délka dne.

Možná vás to překvapí, ale den na Zemi neměl vždy přibližně 24 hodin, jak jsme zvyklí dnes. Rotace naší planety se postupem času zpomaluje. V dávné minulosti se Země otáčela mnohem rychleji. Vědecké odhady, založené například na studiu růstových vrstev ve fosilních korálech a stromatolitech (vrstevnaté struktury vytvořené činností sinic), naznačují, že před miliardami let mohl den trvat pouhých 6 až 10 hodin.

Hlavní příčinou tohoto zpomalování jsou slapové síly (tidal forces) mezi Zemí a Měsícem. Měsíc svou gravitací způsobuje na Zemi přílivové a odlivové vlny – dvě „vybouleniny“ vody na přivrácené a odvrácené straně planety. Země se otáčí rychleji, než Měsíc obíhá kolem ní, a snaží se tyto vodní valy „táhnout“ s sebou. Měsíc však gravitačně působí proti tomuto pohybu, čímž efektivně brzdí rotaci Země. Dochází k přenosu rotační energie Země na oběžnou dráhu Měsíce.

Důsledky tohoto kosmického přetahování jsou dvojí:

Předpokládá se, že v období před Velkou oxidační událostí se délka dne postupně prodloužila z oněch počátečních zhruba 6 hodin až na přibližně 21 hodin. A právě tato změna mohla být podle nové studie klíčovým faktorem, který umožnil sinicím „nakopnout“ produkci kyslíku na úroveň potřebnou pro GOE.

Tým vědců, vedený mikrobiologem Gregory Dickem z University of Michigan a zahrnující i Judith Klatt z Institutu Maxe Plancka pro mořskou mikrobiologii (která se proslavila již dřívějším výzkumem moderních mikrobiálních společenstev), přišel s myšlenkou, že délka slunečního svitu byla kritickým faktorem pro čistou produkci kyslíku sinicemi.

Jejich hypotéza je založena na „kyslíkovém rozpočtu“ sinic a jejich okolního prostředí:

Představte si situaci s krátkými dny, například 6 hodin světla a 6 hodin tmy: Sinice sice během těch 6 hodin světla produkují kyslík, ale toto produkční okno je velmi krátké. Než se stihne vytvořit větší přebytek kyslíku, který by mohl uniknout z bezprostředního okolí mikrobiální rohože do vodního sloupce a atmosféry, přijde noc. Během tmy sinice samy část kyslíku spotřebují respirací, a zbytek je pohlcen blízkými jímkami nebo jinými mikroby. Čistý zisk kyslíku, který by se mohl hromadit globálně, je tak minimální, možná i nulový. Existuje jakýsi „strop“ nebo „bariéra“ pro únik kyslíku z rohože.

Nyní si představte situaci s delšími dny, například když se den prodloužil na 18, 20 nebo dokonce 21 hodin: Dlouhé období nepřetržitého slunečního svitu umožňuje sinicím masivní produkci kyslíku. I když část stále spotřebují v noci a část pohltí lokální jímky, celkové množství vyprodukovaného kyslíku je tak velké, že výrazně převýší tyto ztráty. Vytvoří se dostatečný přebytek, který může „přetéct“ z mikrobiálního společenstva a začít se hromadit v okolním prostředí, postupně nasycovat oceány a unikat do atmosféry. Delší dny tak mohly prolomit onu „bariéru“ a umožnit kyslíku, aby se stal významnou složkou atmosféry.

Vědci se domnívají, že existuje určitý časový práh nebo kritická délka dne, po jejímž překročení se čistá produkce kyslíku sinicemi stává dostatečně efektivní pro jeho globální akumulaci.

Kde vědci na tuto myšlenku přišli? Částečně byla inspirována studiem moderních mikrobiálních ekosystémů, které mohou sloužit jako jakési „časové stroje“ nebo modely pro pochopení raného života na Zemi. Jedním z takových fascinujících míst je Middle Island Sinkhole, krasový závrt na dně Huronského jezera (jedno z Velkých jezer v Severní Americe).

V hloubce asi 24 metrů zde ze dna vyvěrá podzemní voda chudá na kyslík, ale bohatá na sírany. V těchto extrémních podmínkách, připomínajících rané oceány, se daří unikátním mikrobiálním společenstvím ve formě pestrobarevných rohoží. Judith Klatt, Arjun Chennu (z Leibnizova centra pro tropický mořský výzkum) a jejich kolegové zde podrobně studovali dynamiku těchto rohoží.

Zjistili, že tyto rohože jsou tvořeny především:

Pozorování ukázala fascinující denní cyklus a konkurenci: Během noci a za úsvitu bílé sirné bakterie migrují k povrchu rohože a mohou dokonce fyzicky překrývat fialové sinice. Tím si zajišťují lepší přístup k jakémukoli zbytkovému kyslíku nebo jiným látkám z vodního sloupce. Když však slunce vystoupá výše a intenzita světla zesílí, sinice začnou masivně produkovat kyslík. Tento kyslík je pro sirné bakterie (které jsou často anaerobní nebo mikroaerofilní – preferující nízké koncentrace kyslíku) částečně toxický, a tak se stahují hlouběji do rohože. Tím uvolňují povrch sinicím, které tak mají nerušený přístup k maximálnímu slunečnímu svitu během poledne a raného odpoledne. S ubývajícím světlem se cyklus opět obrací.

Tato dynamika ukazuje, jak i v moderních analogických ekosystémech hraje délka a intenzita slunečního svitu klíčovou roli v tom, kolik kyslíku mohou sinice reálně uvolnit do okolí, a jak jsou ovlivněny konkurencí s jinými mikroby. Bylo to právě toto pozorování jemné rovnováhy a „boje o světlo“ a kyslík, které pomohlo formovat hypotézu o významu délky dne pro Velkou oxidační událost.

Na základě těchto pozorování a teoretických úvah přistoupil tým Gregory Dicka k vytvoření sofistikovaných matematických modelů. Tyto modely simulovaly chování mikrobiálních rohoží sinic za různých podmínek, především s různou délkou dne. Do modelů byly zahrnuty parametry jako:

Výsledky těchto simulací byly pozoruhodné a podpořily původní hypotézu: Ukázalo se, že delší dny skutečně vedou k výrazně vyššímu čistému úniku kyslíku z mikrobiálních rohoží. Zatímco při krátkých dnech (např. 10-12 hodin) byl téměř veškerý vyprodukovaný kyslík spotřebován v rámci rohože nebo v jejím bezprostředním okolí, při prodloužení dne na hodnoty kolem 16 hodin a více začalo množství unikajícího kyslíku prudce narůstat. Modely naznačily, že přechod k výrazné akumulaci kyslíku mohl nastat, když délka dne dosáhla zhruba 18 až 20 hodin.

Tento výsledek elegantně zapadá do časového rámce geologické historie. Postupné zpomalování rotace Země vedlo k prodlužování dne. Když délka dne dosáhla této kritické hodnoty, mohlo to spustit nebo alespoň významně přispět k Velké oxidační události před zhruba 2,4 miliardami let. Pomáhá to vysvětlit onu miliardovou prodlevu mezi vznikem sinic a masivním nástupem kyslíku v atmosféře. Sinice sice kyslík vyráběly celou dobu, ale teprve když jim planeta poskytla dostatečně dlouhý „pracovní den“, mohly ho vyprodukovat tolik, aby překonaly všechny ztráty a jímky.

Nová hypotéza o vlivu délky dne na vzestup kyslíku samozřejmě nenahrazuje ostatní faktory, o kterých se v souvislosti s GOE uvažuje. Patří mezi ně například:

Spíše se jedná o další důležitý dílek skládačky, který ukazuje, jak komplexní a vzájemně propojené jsou procesy formující naši planetu. Je to fascinující příklad souhry astronomie (vztah Země-Měsíc, rotace planety), geologie (chemické složení oceánů a atmosféry, kyslíkové jímky) a biologie (evoluce a metabolismus sinic).

Tato zjištění mají také potenciální význam pro hledání života mimo Zemi. Při posuzování obyvatelnosti exoplanet se astronomové zaměřují na přítomnost tekuté vody a vhodnou teplotu ("zóna života"). Nově by se však do úvah mohla zařadit i rotační perioda planety a délka jejího dne. Planeta může být v zóně života, ale pokud se otáčí příliš rychle (velmi krátké dny), nemusí být schopna vyvinout kyslíkovou atmosféru, i kdyby na ní existovali fotosyntetizující mikrobi. Možná existuje jakási „optimální“ délka dne pro vznik kyslíkové atmosféry, která by mohla být dalším kritériem při pátrání po komplexním životě ve vesmíru.

Výzkum samozřejmě nekončí. Vědci budou hledat další geologické důkazy, které by pomohly přesněji zmapovat změny délky dne v rané historii Země, a budou dále zpřesňovat své modely mikrobiálních ekosystémů.

Představa, že pomalé, ale neúprosné zpomalování zemské rotace, způsobené gravitačním objetím našeho Měsíce, mohlo být jedním z klíčových spouštěčů pro vznik atmosféry, kterou dnes dýcháme, je skutečně ohromující. Tento tichý kosmický tanec, trvající miliardy let, mohl dát prvním pozemským „kyslíkárnám“ – skromným sinicím – dostatek času a světla, aby změnily osud celé planety.

Tato teorie nejenže nabízí elegantní vysvětlení pro dlouhou prodlevu před Velkou oxidační událostí, ale také nádherně ilustruje, jak je věda procesem neustálého objevování a propojování zdánlivě nesouvisejících jevů. Od studia mikrobů v temných hlubinách jezera až po pochopení planetárních mechanizmů – všechno souvisí se vším.

Až se příště podíváte na noční oblohu na Měsíc, vzpomeňte si, že jeho tichá přítomnost nejenže ovlivňuje příliv a odliv, ale možná kdysi dávno pomohla „nastavit hodiny“ naší planety tak, aby jednoho dne mohla dýchat životem, jaký známe.

Děkuji vám za vaši pozornost a čas strávený nad těmito řádky. Doufám, že vás tento pohled na dávnou historii Země inspiroval a těším se na vás u dalších vědeckých zkoumání!

Mějte se krásně a nezapomínejte, že žijeme na neuvěřitelně dynamické a fascinující planetě!

Zdroj