V posledních několika letech došlo k explozi objevů exoplanet. Některé z těchto světů jsou v tom, co považujeme za „obyvatelnou zónu“, alespoň podle předběžných pozorování. Ale kolik z nich bude mít život podporující atmosféru bohatou na kyslík ve stejném duchu jako Země?
Nová studie naznačuje, že dýchatelná atmosféra nemusí být tak vzácná, jak jsme si mysleli na planetách starých jako Země.
Zemi trvalo dlouho, než se vyvinula okysličená atmosféra, kterou si nyní užíváme. Ještě před asi 2,4 miliardami let měla naše planeta v atmosféře a oceánech mnohem méně kyslíku. To vše se změnilo, když došlo k velkému okysličování; první ze tří, které utvářely Zemi.
Třístupňový model okysličování Země je poměrně široce chápán a přijímán, i když to není bez kontroverze. Model nastiňuje tři hlavní posuny v historii Země, přičemž každý z nich podstatně mění zemskou atmosféru přidáním více kyslíku.
Tyto tři události byly:
- The Velká oxidační událost došlo asi před 2,4 miliardami let během paleoproterozoické éry. V tomto případě se biologicky produkovaný kyslík nahromadil v oceánech a atmosféře, což pravděpodobně vedlo k počátečnímu hromadnému vymírání.
- Neoproterozoická událost kyslíku zaznamenala dramatický vzestup hladiny kyslíku a předcházela tomu Kambrická exploze asi před 540 miliony let.
- K paleozoické okysličení došlo asi před 400 miliony let a kyslík dosáhl současné úrovně asi 21 %.
Historie okysličování Země je komplikovaná. Nebyl to lineární vývoj. Zpočátku byl kyslík produkován jako odpadní vedlejší produkt formami života a velká část byla absorbována zemskou kůrou. Kyslík je vysoce reaktivní a tvoří nejrůznější sloučeniny s jinými prvky a uzavře se v kůře. Konkrétně reagoval se železem za vzniku oxidu železa v geologickém záznamu, což je jeden z našich nejlepších ukazatelů, kdy kyslík vstoupil do atmosféry.
Páskovaný železný útvar v Austrálii. Konvenčním chápáním je, že vznikly v mořské vodě s uvolňováním kyslíku během Velké okysličovací události. Autor obrázku: Graeme Churchard z Bristolu, Spojené království – Dales Gorge Nahrál PDTillman, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30889569
Kolem tohoto modelu je však mnoho diskusí. Podle jednoho chápání modelu produkovaly fotosyntetické bakterie v oceánu velkou část raného kyslíku. Pak se o stovky milionů let později objevily pevninské planety, které opět zvýšily hladinu kyslíku. Existují také důkazy, že roli hrála desková tektonika a masivní sopečné erupce.
An článek od autorů z této nové studie říká, že tento model implikuje, že k vytvoření světa bohatého na kyslík je zapotřebí určitá úroveň štěstí. 'Pokud by nedošlo k jedné sopečné erupci nebo by se nevyvinul určitý typ organismu, pak by se kyslík mohl zastavit na nízkých úrovních,' říká.
Ale možná to tak není.
Jejich nová studie se jmenuje „ Postupné okysličování Země je nedílnou vlastností globálního biogeochemického cyklování “ a slovo „inherentní“ je zde klíčové. Autoři říkají, že jakmile jsme měli správné mikroby a deskovou tektoniku, které byly oba založeny před 3 miliardami let, bylo jen otázkou času, kdy dosáhneme úrovně kyslíku, jakou máme nyní. Bez ohledu na sopky a suchozemské rostliny.
'Tento výzkum skutečně testuje naše chápání toho, jak se Země stala bohatou na kyslík, a tak byla schopna podporovat inteligentní život.'
Lewis Alcott, hlavní autor, Earth Surface Science Institute, Leeds University.
Spíše než vnější síly to byl „soubor vnitřních zpětných vazeb zahrnujících globální cykly fosforu, uhlíku a kyslíku“, které vedly k okysličení Země, jak uvádí studie. Ve skutečnosti by tyto cykly „vytvářely stejný třístupňový vzor pozorovaný v geologickém záznamu“.
Sinice pod mikroskopem. Je jim připisováno, že podpořili Velkou Okysličovací Událost. Obrazový kredit: NASA, http://microbes.arc.nasa.gov/images/content/gallery/lightms/publication/unicells.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php? curid=5084332
Z článku to vyplývá z tohoto: „Došli jsme k závěru, že okysličování Země je zcela v souladu s postupným okysličováním planetárního povrchu po vývoji kyslíkové fotosyntézy.
Jak ale k tomuto závěru dospěli?
Výzkumníci pocházejí z Leeds University ve Velké Británii. Hlavním autorem je Lewis J. Alcott, doktorand působící v Institutu věd o povrchu Země. Alcott a další výzkumníci pracovali s dobře zavedeným modelem mořské biogeochemie a upravili jej. Provedli tento model napříč celou pozemskou historií a zjistili, že sám o sobě produkoval tři hlavní události okysličování.
V tiskové zprávě Alcott řekl: 'Tento výzkum skutečně testuje naše chápání toho, jak se Země stala bohatou na kyslík, a tedy schopná podporovat inteligentní život.'
Dominantní myšlení za pozemskou historií okysličování se opírá o několik širokých kategorií událostí, které to vysvětlují. Jedním z nich je hlavní evoluční vývoj ve formách života, které produkují kyslík. V podstatě „biologické revoluce“, kdy se formy života staly postupně složitějšími a vytvořily prostředí bohaté na kyslík. Druhou kategorií jsou tektonické revoluce: dramatický a zvláštní nárůst tektonické aktivity, včetně významné vulkanické aktivity, která změnila kůru a vedla k vyšším hladinám kyslíku.
Snímek pořízený členem posádky Expedice 13 z ISS, ukazující erupci sopky Cleveland, Aleutské ostrovy, Aljaška. Podle uznávaného myšlení byly významné vulkanické události nezbytné k vytvoření atmosféry bohaté na kyslík, kterou má Země dnes. Nová studie však naznačuje, že nebyly nutné. Kredit: NASA
O přesné povaze obou těchto širokých kategorií se hodně diskutovalo, ale tato nová studie dává vědcům něco víc k zamyšlení. Spíše než se spoléhat na „krokové“ události, které lze přesně určit v geologickém záznamu pro vysvětlení okysličení, nová studie poukazuje na cykly zpětné vazby mezi fosforem, uhlíkem a kyslíkem.
Studie také naznačuje, že okysličení bylo nevyhnutelné.
Spoluautor studie, profesor Simon Poulton, také ze School of Earth and Environment v Leedsu, řekl: „Náš model naznačuje, že okysličení Země na úroveň, která dokáže udržet složitý život, bylo nevyhnutelné, jakmile se vyvinuly mikroby, které produkují kyslík. “
Srdcem tohoto nového modelu je mořský cyklus fosforu. Jejich model vytvořil stejný třístupňový vzorec okysličování, jaký zažila Země, „když byla poháněna pouze postupným posunem od redukčních k oxidačním podmínkám povrchu v průběhu času. Přechody jsou řízeny tím, jak cyklus mořského fosforu reaguje na měnící se hladiny kyslíku a jak to ovlivňuje fotosyntézu, která fosfor vyžaduje.“
Jednoduchá grafika cyklu zemského fosforu. Kredit obrázku: Biogeochemické cykly: Obrázek 5 od OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 4.0 ; modifikace díla Johna M. Evanse a Howarda Perlmana, USGS
„Naše práce ukazuje, že vztah mezi globálními cykly fosforu, uhlíku a kyslíku je zásadní pro pochopení historie okysličování Země. To by nám mohlo pomoci lépe porozumět tomu, jak se jiná planeta než naše vlastní může stát obyvatelnou,“ řekl hlavní autor Dr. Benjamin Mills.
Takže pro některé z těchto exoplanet ještě existuje naděje.
Tato studie nebude konečným slovem v této věci. Ale je to zajímavý výsledek, a pokud obstojí při dalším vědeckém zkoumání, může mít vliv na to, jak charakterizujeme exoplanety, které jsme již našli, a tisíce dalších, které najdeme pomocí TESS a dalších budoucích teleskopů pro hledání planet.
Více:
- Tisková zpráva: Vdechnutí nového života do debaty o kyslíku na Zemi
- Výzkumný papír: Postupné okysličování Země je nedílnou vlastností globálního biogeochemického cyklování
- Článek: Dýchatelná atmosféra může být ve vesmíru běžnější, než jsme si původně mysleli
- Research Paper (2014): Vzestup kyslíku v raném oceánu a atmosféře Země