Stor oksygenkatastrofe

Temporal klassifisering av Great Oxygen Disaster (GOE) i evolusjonær historie

Den store oksygeneringshendelsen (GOE etter engelsk stor oksygeneringshendelse ) var økningen i konsentrasjonen av molekylært oksygen (O 2 ) i grunt vann og atmosfæren flere størrelsesordener på relativt kort tid før for rundt 2,4 milliarder år siden, ved Archean -Proterozoic -Boundary når jorden var halvparten av sin alder. I utviklingen av jordens atmosfære representerer den store oksygenkatastrofen overgangen fra den andre til den tredje atmosfæren.

Noen av de da alle anaerobe organismer produserte oksygen som et giftig avfallsprodukt fra fotosyntese , sannsynligvis i hundrevis av millioner av år. Men innledningsvis lett oksiderbare substanser av vulkansk opprinnelse (hydrogen, karbon, svovel, jern) holdt på O- 2 -konsentrasjonen meget lav, under 0,001% av dagens nivå (10 -5 PAL, engelsk liggende atmosfærisk nivå ), som de karakteristiske forhold av svovel isotoper bevise. I løpet av denne tiden endret jordens farge seg fra basalt svart til rustrødt . Avtagende vulkanisme, tap av hydrogen i rommet og en økning i fotosyntese førte da til GOE, som i dag forstås som en periode med flere økninger og reduksjoner i O 2 -konsentrasjon.

GOE ble umiddelbart etterfulgt av en ising av planeten fordi klimagassen metan og avleiringer av store mengder organisk materiale ble brutt ned raskere under oksiderende forhold, se Lomagundi-Jatuli isotoputflukt . De δ 13 C- verdier indikerer en mengde av frigjort oksygen svarende til 10 til 20 ganger den aktuelle O to lager i atmosfæren. O 2 -konsentrasjonen falt da til moderate nivåer i lang tid, sannsynligvis for det meste under 10 −3 PAL, bare for å stige igjen for mindre enn 1 milliard år siden, noe som til slutt gjorde det mulig for flercellede liv.

fremgangsmåte

Utdatert konsept med ensformig O 2- berikelse.
Over: atmosfære, midt: grunne hav, under: dype hav,
abscissa: tid i milliarder år (Ga). Ordinater: O 2 partialtrykk av atmosfæren i atm eller molar O 2 -konsentrasjon i sjøvann i µmol / L. De to kurvene i hver graf betegner øvre og nedre grense for estimeringsområdet (Holland, 2006).
Båndmalm. Denne omtrent 8,5 tonn tunge, tre meter brede og 2,1 milliarder år gamle jernmalmblokken fra Nord-Amerika tilhører Museum of Mineralogy and Geology Dresden og ligger i Dresdens botaniske hage .

Jordens primære atmosfære inneholdt maksimalt fritt oksygen (O 2 ) i svært lave konsentrasjoner. For mange år siden utviklet sannsynligvis rundt 3,2 til 2,8 milliarder mikroorganismer , ifølge dagens kunnskapsforløper for dagens cyanobakterier , fra en enkel fotosyntese en ny, i motsetning til den eldre formen O ved 2 produsert som avfallsprodukt og derfor som oksygenisk fotosyntese er ringte. Som et resultat ble betydelige mengder O 2 dannet i havene, både før og etter den store oksygenkatastrofen. Men det var en vesentlig forskjell: Før den store Oxygen katastrofe, ble oksygen dannet fullstendig bundet ved oksydasjon av organiske stoffer, hydrogensulfid og oppløst jern (til stede som et toverdig jernioner Fe 2+ ). GOE var tidspunktet da disse stoffene, spesielt Fe 2+ , i stor grad ble oksidert, og den nye innføringen av disse stoffene kunne ikke lenger binde oksygenet som ble dannet. Overflødig fritt oksygen begynte å akkumuleres i sjøvannet og i atmosfæren.

Flertallet antar at det gikk lang tid mellom forekomsten av oksygenisk fotosyntese med den tilhørende produksjonen av O 2 og begynnelsen av berikelsen av fritt oksygen, fordi store mengder stoffer som oksideres med O 2 var til stede og tilførte fra forvitring og vulkanisme slik at O 2 dannet ble umiddelbart bundet.

Oksydasjonen av Fe 2+ til treverdige jernioner Fe 3+ resulterte i avsetning av dannet banded jern ( banded jerndannelse ), hvor jern hovedsakelig i form av oksider , nemlig hematitt Fe 2 O 3 og magnetitt Fe 3 O 4 er tilstede. I gamle kontinentalskjold, som på lang sikt har blitt relativt lite endret tektonisk, er slike båndmalmer fortsatt bevart i dag, for eksempel Hamersley Basin (Western Australia), Transvaal Craton (Sør-Afrika), Animikie Group ( Minnesota , USA). De er de viktigste jernmalmene globalt . Oksygen begynte bare å forbli i atmosfæren kort tid (rundt 50 millioner år) før GOE.

Teori om sen utseende av oksygenisk fotosyntese

I følge denne teorien utviklet de fototrofiske oksygenprodusentene seg ikke før umiddelbart før den større økningen i atmosfærisk oksygenkonsentrasjon. Den teori er basert på masse uavhengig fraksjonering av svovel isotoper, som er tilordnet en indikator funksjon for oksygen. Med denne teorien trenger ikke tidsfristen mellom utviklingen av oksygenfotosyntetiske mikroorganismer og tidspunktet når O 2 -konsentrasjonen stiger, noen forklaring.

Imidlertid er det en mulighet for at oksygenindikatoren er mistolket. I løpet av den foreslåtte tidsforsinkelsen til den ovennevnte teorien, skjedde en endring fra masseuavhengig fraksjonering (MIF) til masseavhengig fraksjonering (MDF) av svovel. Det antas at dette var resultatet av at oksygen O 2 dukket opp i atmosfæren. Oksygen ville ha forhindret fotolyse av svoveldioksid som forårsaket MIF . Denne byttet fra MIF til MDF av svovelisotopene kan også ha vært forårsaket av en økning i isforvitring. En homogenisering av de marine svovelavsetningene som et resultat av en økt temperaturgradient under Huron-isingen er også mulig .

Løypeteori

Forsinkelsen (som kunne ha vært opptil 900 millioner år) er tidsforsinkelsen mellom tidspunktet da oksygenproduksjonen av fotosyntetisk aktive organismer startet og (i geologiske tidsperioder) den raske økningen i atmosfærisk oksygen ca. 4 milliarder år siden. Det brukes en rekke hypoteser for å prøve å forklare dette tidsforsinkelsen.

Tektonisk utløser

I følge denne teorien forklares tidsforsinkelsen av det faktum at økningen i oksygen måtte vente på tektonisk induserte endringer i jordens "anatomi". Det var utseendet på hyllehav der redusert karbon kunne nå sedimentene og bli avsatt der. I tillegg ble det nyproduserte oksygenet opprinnelig bundet i forskjellige oksidasjoner i havet, primært i en oksidasjon av toverdig jern. Det er bevis på dette fenomenet i eldre fjellformasjoner, nemlig store mengder båndmalmer som tilsynelatende er avsatt ved jernoksidasjon. Båndmalmer utgjør mesteparten av kommersielt utvinnbare jernmalmer .

Nikkelmangel

Kjemosyntetiske organismer var en kilde til metan. Men metan var en felle for molekylært oksygen, fordi oksygen oksyderer metan i nærvær av UV-stråling til karbondioksid og vann uten ytterligere handling . Dagens metanproduserende mikrober trenger nikkel som koenzym . Da jordskorpen avkjølte, ble tilførselen av nikkel og dermed metanproduksjon redusert, slik at oksygen kunne dominere atmosfæren. I perioden fra 2,7 til 2,4 milliarder år siden gikk mengden avlevert nikkel jevnt ned. det var opprinnelig 400 ganger dagens nivå.

Konsekvenser av den store oksygenkatastrofen

De økende oksygenivåene i havene kan ha utslettet en stor del av de obligatoriske anaerobe organismer som befolket jorden på den tiden. Oksygenet var dødelig for obligatoriske anaerobe organismer og i det vesentlige ansvarlig for det som trolig er den største masseutryddelsen . I organismer som ikke er tilpasset O 2 , dannes peroksider i løpet av metabolismen , som er veldig reaktive og ødelegger vitale komponenter i organismer. Antagelig utviklet levende vesener enzymer ( peroksidaser ) i løpet av den tiden da O2 ble dannet, men alltid konsumert i oksidasjoner , som ødelegger peroksidene som ble dannet, slik at den giftige effekten av O 2 ble slått av.

Miljøpåvirkningen av den store oksygenkatastrofen var global. Berikelsen av oksygen i atmosfæren hadde tre andre alvorlige konsekvenser:

  1. Atmosfærisk metan (en kraftig klimagass ) ble oksidert til karbondioksid (en svakere klimagass) og vann, noe som startet Hurons istid . Sistnevnte kunne ha vært en komplett og, i det hele tatt, den lengste Snowball Earth- episoden i Jordas historie, som varte fra omtrent -2,4 til -2,0 milliarder år.
  2. Fritt oksygen førte til enorme endringer i den kjemiske interaksjonen mellom faste stoffer på den ene siden og jordens atmosfære, havene og andre overflatevann på den andre. Mangfoldet av mineraler som finnes på jorden økte sterkt. Det anslås at GOE alene er ansvarlig for mer enn 2500 av totalt 4500 mineraler. Flertallet av disse mineralene var vannkomplekser eller oksyderte former av mineralene som dannet seg på grunn av dynamisk jordmantel og jordskorpeprosesser i følge GOE.
  3. Det økte oksygeninnholdet åpnet nye måter for utvikling av levende ting. Til tross for den naturlige resirkuleringen av organiske stoffer, er anaerobe organismer energisk begrenset. Tilgjengeligheten av gratis oksygen i atmosfæren var et gjennombrudd i utviklingen av energimetabolisme; det økte tilførselen av termodynamisk fri energi til levende vesener sterkt . For med et stort antall stoffer frigjør oksidasjonen med O 2 betydelig mer brukbar energi enn en metabolisme uten oksidasjon med O 2 .

Mitokondriene dukket opp etter den store oksygenkatastrofen, den kambriumeksplosjonen fant sted ved overgangen mellom trinn 4 og 5 (se linjediagram ovenfor).

Bevis for fritt oksygen før den store oksygenkatastrofen

Det er indikasjoner på at det må ha vært episoder med O 2 partielt trykk på minst en 3000 av det nåværende nivået før GOE . For eksempel viser rundt 3 milliarder år gamle paleojord og evaporitter i Sør-Afrika sterke tegn på oksygenforvitring. Dette kan være en indikasjon på at fotosyntetisering av protocyanobakterier utvikler seg på dette tidspunktet.

litteratur

  • Timothy W. Lyons, Christopher T. Reinhard, Noah J. Planavsky: Økningen av oksygen i jordens tidlige hav og atmosfære. Nature 506, 2014, doi: 10.1038 / nature13068 ( online ).

Individuelle bevis

  1. ↑ https://www.mpg.de/forschung/eukaryoten-evolution
  2. ^ Heinrich D. Holland: Oksygenering av atmosfæren og havene (PDF; 781 kB). I: Phil. Trans. R. Soc. B , bind 361, 2006, s. 903-915.
  3. ↑ Ariel D. Anbar, Yun Duan, Timothy W. Lyons, Gail L. Arnold, Brian Kendall, Robert A. Creaser, Alan J. Kaufman, Gwyneth W. Gordon, Clinton Scott, Jessica Garvin og Roger Buick: A whiff of oksygen før den store oksidasjonshendelsen? I: Vitenskap. Volum 317, nr. 5846, 28. september 2007, s. 1903-1906, doi: 10.1126 / science.1140325 .
  4. ↑ a b c Robert E. Kopp, Joseph L. Kirschvink, Isaac A. Hilburn og Cody Z. Nash: The Paleoproterozoic snowball Earth: En klimakatastrofe utløst av utviklingen av oksygenisk fotosyntese . I: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 102, nr. 32 , 2005, s. 11131–11136 , doi : 10.1073 / pnas.0504878102 , PMID 16061801 , PMC 1183582 (fri fulltekst), bibcode : 2005PNAS..10211131K (engelsk, pnas.org ).
  5. ↑ TM Lenton, HJ Schellnhuber, E. Szathmáry: Klatring av ko-evolusjonsstigen . I: Natur . Vol. 431, nr. 7011 , 2004, s. 913 , doi : 10.1038 / 431913a , PMID 15496901 , bibcode : 2004Natur.431..913L (engelsk).
  6. ↑ Kurt O. Konhauser et al.: Oceanic nikkel utarmning og en metanogen sult før den store oksidasjonshendelsen . I: Natur . Vol. 458, nr. 7239 , 2009, s. 750–753 , doi : 10.1038 / nature07858 , PMID 19360085 , stikkode : 2009Natur.458..750K (engelsk).
  7. ^ Adriana Dutkiewicz, Herbert Volk, Simon C. George, John Ridley, Roger Buick: Biomarkører fra Huronian oljebærende væskeinneslutninger: En ukontaminert oversikt over livet før den store oksidasjonshendelsen . I: Geologi . teip 34 , nei. 6 , 6. januar 2006, s. 437-440 , doi : 10.1130 / G22360.1 (engelsk).
  8. ^ Første pust: Jordens milliardårige kamp for oksygen. I: New Scientist , bind 2746, 5. februar 2010, Nick Lane: En snøballperiode, c2.4 - c2.0 Gya, utløst av oksygenkatastrofen ( Memento av 6. januar 2011 i Internet Archive ) .
  9. ^ Robert M. Hazen: Evolution of Minerals . I: Scientific American 302, 2010, doi: 10.1038 / scientificamerican0310-58 ( fulltekst online ).
  10. ↑ Sean A. Crowe, Lasse N. Døssing, […] Donald E. Canfield: Atmosfærisk oksygenering for tre milliarder år siden . I: Natur . teip 501 , 26. september 2013, s. 535-538 , doi : 10.1038 / nature12426 (engelsk, nature.com ).