Stężenie tlenu na Ziemi wahało się i napędzało ewolucję

Tlen pojawił się na Ziemi dopiero w połowie historii istnienia tej planety. Wcześniej jego stężenie atmosferyczne było pomijalne – wynosiło 0,001 proc. poziomu aktualnego. Wzrost nastąpił za sprawą pierwszych fotosyntetyzujących mikroorganizmów ok. 2,4–2 mld lat temu i nazywany jest katastrofą tlenową (ang. Great Oxidation Event). GOE dla wielu organizmów beztlenowych oznaczała zagładę. Innym istotom dała jednak szansę wprowadzenia nowych rozwiązań metabolicznych, które okazały się na tyle efektywne, że współcześnie większość życia opiera swoje funkcjonowanie na tlenie.

Ustalając szczegóły tlenowej historii Ziemi, uczeni zgadzali się dotychczas w dwóch kwestiach. Po pierwsze, że w czasie trwania GOE, stężenie tlenu wzrosło do ok. 1 proc. obecnego. Po drugie, że współczesna zawartość tlenu w atmosferze (21 proc.) utrzymywała się na względnie stałym poziomie przez ostatnich 400 mln lat. Brakowało jednak pewności, co się działo pomiędzy tymi okresami. Uczeni uważali, że w tym czasie – określanym jako neoproterozoik – mógł rozegrać się jeden z dwóch scenariuszy. Albo stężenie tlenu pozostawało bardzo niskie przez długi czas i wzrosło gwałtownie tuż przed pojawieniem się pierwszych zwierząt, albo było wysokie przez miliony lat wcześniej. Opublikowane właśnie w „Science Advances” badania to propozycja trzeciego scenariusza wydarzeń.

Autorzy przeanalizowali zawartość różnych izotopów węgla w wapiennych skałach. Na tej podstawie obliczyli intensywność, z jaką – na przestrzeni ostatnich 1,5 mld lat – zachodziła fotosynteza. Stąd był już tylko krok od ustalenia, jakie w danym momencie było stężenie tlenu, będącego produktem ubocznym odżywiania roślin. Okazało się, iż poziom tlenu w atmosferze był niestabilny. Na przykład: ok. 750 mln lat temu wzrósł do ponad 50 proc. współczesnego stężenia, by niecałe 50 mln lat później spaść niemal do zera i po analogicznym odcinku czasu ponownie wzrosnąć, ale tym razem już nie tak znacząco. Do tych fluktuacji dochodziło na wiele milionów lat przed pojawieniem się na Ziemi zwierząt, ale też po nim.

Według naukowców, to właśnie wahania stężenia tlenu mogły w owym czasie być motorem napędzającym ewolucję i przyczyniać się do rozkwitu tak różnorodnego życia na Ziemi. Każda zmiana warunków tlenowych, wywierała bowiem silną presję na organizmy: musiały przystosować się albo wyginąć.

Zaprezentowane wyniki cechują się niespotykaną jak dotychczas precyzją oraz skalą. Nigdy wcześniej nie otrzymano bowiem tylu pojedynczych „odczytów” zawartości tlenu w odniesieniu do tak odległej przeszłości Ziemi.