We wpisie nr 14 chyba skutecznie zniechęciłem do przeprowadzki na inne planety. Zostańmy na Ziemi, która przez miliardy lat przygotowywała się na „przyjęcie” Homo sapiens, aż jej lądy i morza oraz atmosfera i klimat stały się dla nas przyjazne. Jak długo trwało?
W oparciu o istotne zmiany geologiczne zachodzące na Ziemi, jej historię podzielono umownie na eony, ery, okresy i epoki. Pierwsze trzy eony, Hadeik, Archaik i Proterozoik, trwały około 4 mld lat (niemal 90% ziemskiego czasu), ale śladów geologicznych pozostawiły niewiele. Trwający przez pierwsze pół miliarda lat Hadeik pozostawił kryształy cyrkonu znalezione w Australii i Kanadzie oraz rudy żelaziste na Grenlandii. W tych drugich wykryto ślady organicznego węgla.
Geolodzy sugerują, że może to wskazywać na początki biologicznego życia, co jest jednak mało prawdopodobne, bo Ziemia była w tym czasie ognistą kulą. Była bombardowana asteroidami i drobniejszym gruzem kosmicznym. Nawet, gdyby założyć panspermię, i uznać że jakieś pierwotne formy życia spadły na Ziemię z kosmosu, nie tylko nie przeżyłyby, ale ich materia uległyby stopieniu się we wrzącym kotle Ziemi. Ale dlaczego Ziemia się gotowała?
Historia Ziemi ma swój początek po utworzeniu się naszego Słońca (około 4,6 mld lat temu) z materii po wybuchu supernowej. Słońce powstało z zapadającej się pod działaniem sił grawitacyjnych chmury zawierającej pierwiastki (wszystkie, jakie znamy) w postaci gazowej oraz pyłu (drobin skalistego materiału). Grawitacyjne zagęszczenie się materii doprowadziło do jej rozgrzania się do temperatury inicjującej reakcje termojądrowe. Reakcje te oraz wystarczająco duża masa materii sprawiły, że zapaliło się Słońce. Przypuszcza się, że w procesie tym zasadniczą odegrała niewidoczna struktura ciemnej materii.
Z orbitującej wokół naszej gwiazdy reszty gazu i pyłu, na skutek niezliczonych zderzeń i fuzji resztek materii powstawały coraz większe protoplanety o coraz większym polu grawitacyjnym, które przyspieszało ten proces. Powstawały obiegające Słońce planety. Bliżej słońca powstały stosunkowo małe planety skaliste, a w dużej odległości lodowe lub gazowe olbrzymy. Ziemia i inne bliskie słońca planety (Merkury, Wenus, Mars) pod zagęszczającym je działaniem siły grawitacji osiągnęły stopieniu się, ale miały za małą masę, żeby osiągnąć temperaturę zapłonu i przez około pół miliarda lat jedynie gotowały się w wyniku reakcji termojądrowych.
Podczas scalania się materii coraz większej protoziemi rosnąca siła grawitacji materię tę zagęszczała. W efekcie ściskania rosła temperatura i przyszła protoziemia zagotowała się, a woda przeszła od stanu stałego do stanu gazowego. Para wodna została uwięziona w płynnej lawie we wnętrzu Ziemi, bo grawitacja nie pozwoliła na jej wyparowanie. Była uwalniana dopiero, kiedy skorupa ziemska zaczęła być rozrywana wulkanicznymi wylewami lawy. W ten sposób para wodna jest nadal uwalniana razem z innymi gazami (głównie CO2 i SO2, N2) przez współczesne wulkany i gejzery. Istnieje podejrzenie, że wnętrze Ziemi może nadal zawierć więcej wody (w postaci gazowej) niż jest jej w oceanach i morzach. Jakże trudno w to uwierzyć.
Zanim zaistniała skorupa ziemska, a na nie. ciekła woda, skaliste zręby przyszłych lądów przemieszczały się po płynnym wnętrzu Ziemi. Powstawały i rozpadały się pierwsze kontynenty. Nacierające na siebie płyty kontynentalne wpychały w procesie subdukcji powierzchniowe fragmenty do strefy magmy, Tam stosunkowo miękkie skały bazaltowe ulegały transformacji (przetopieniu). Podczas kolejnych ruchów tektonicznych były wynoszone na powierzchnię jako utwardzony granit. Po zaistnieniu całej zewnętrznej skorupy ziemskiej utworzył się wielowarstwowy przekrój planety z gotującym się (do dzisiaj) wnętrzem.
Kiedy w Archaiku na powierzchni Ziemi pojawiła się ciekła woda, zaistniała nadzieja ziemskiego życia biologicznego. Ale nie we współczesnej postaci, i nie na powierzchni planety bo jej pozbawiona tlenu atmosfera składała się głównie z dwutlenku węgla i azotu. Na ten czas przypadają pierwsze niezbite dowody istnienia biologicznego życia. Są nimi wapienne stromatolity pozostawione przez pierwsze bezjądrowe jeszcze organizmy – bakterie tworzące w wodach przybrzeżnych kolonie na skalistym podłożu. Były to asymilujące dwutlenek węgla fotosyntetyzujące sinice zasiedlające płytkie wody przybrzeżne.
Ale, czy to waśnie sinice były pierwszymi ziemskimi organizmami? Współczesne procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne w oceanicznych głębinach wydają się sugerować, że pierwsze były beztlenowe bakterie ekstremofilne w obszarach kominów geotermalnych. Była woda, źródło węgla (dwutlenek węgla, metan) oraz związki mineralne zawierające pierwiastki niezbędne do powstania pierwotnych komórkowych form życia. Mogły to być np. bakterie pozyskujące energię z utleniania siarki lub związków siarki, np. siarkowodoru. Bakterie, które mogły tam powstać w procesie samorództwa, nie pozostawił jednak żadnych skamieniałości. Po długich milionach lat mogły jednak dać początek późniejszym bardziej złożonym formom życia, które tam występują również obecnie.
Twardym dowodem istnienia życia w Archaiku są również znalezione w skałach osadowych złoża substancji węglistej z dużą zawartością izotopu węgla 12C, którego źródłem była wytworzona biomasa. Ale czy życie zaczęło się w pojedynczym akcie samorództwa, czy też wielokrotnie w różnych miejscach? Są podstawy, żeby początków życia domyślać się również w sąsiedztwie kominów geotermalnych na dnie oceanów.
Kolejny eon przedkambryjskiego etapu w historii Ziemi, określany jako Proterozoik, trwał długo, bo aż 2 mld lat. Wytworzyła się prawie cała współczesna skorupa Ziemi. Formowały się i rozpadały kontynenty dryfujące po wodach oceanicznych. Atmosfera zmieniała swój skład. Klimat był w zasadzie ciepły, ale na początku i pod koniec Proterozoiku występowały wielkie zlodowacenia.
Od początku tworzenia się skorupy Ziemi, jej podział na większe i mniejsze płyty tektoniczne powodował wiele lokalnych i globalnych kataklizmów. W geologicznej skali czasowej do najważniejszych należy przemieszczanie się lądów. Istnieje hipoteza, że siły tektoniczne doprowadzały przed ponad miliardem lat dwu- trzykrotnie doprowadzały do łączenia się i rozdzielania lądowych fragmentów skorupy ziemskiej. Pod koniec proterozoiku utworzyły jeden superkontynent Rodinii.
Rodinię tworzyło kilkanaście znacznie starszych fragmentów skorupy ziemskiej (kratonów), będących rdzeniami kontynentalnymi Ziemi. W strefie równikowej na wschodnim krańcu tego superkontynentu znajdowała się Praeuropa – kontynentalny fragment odpowiadający w przybliżeniu obecnej Europie opisywany przez geologów jako Bałtyka. Wiek Praeuropy szacowany jest na około 2 mld lat. Od zachodu sąsiadowała ona z płytą przyszłego kontynentu Ameryki Północnej, a od południa z płytą przyszłej Ameryki Południowej. Dzisiaj wydaje się to nieprawdopodobne.
W prekambrze warunki były zdecydowanie niekorzystne dla jakiegokolwiek życia na lądzie. Atmosfera ziemska przez pierwszy miliard lat składała się z wodoru, helu i argonu. Następnie, w miarę stygnięcia powierzchni, wzbogacała się w dwutlenek węgla, parę wodną i azot, a później również w metan i amoniak. Nie było też ozonowej osłony przed zabójczym promieniowaniem słonecznym.
Surowy klimat oraz zabójcze promieniowanie słoneczne (brak osłony ozonowej) sprawiały jednak, że powierzchnia kontynentalna była pozbawiona jakichkolwiek form życia lądowego. Mogło ono jednak rozwijać się już nawet od około 3 mld lat w wodach oceanicznych w formie pierwotnych bezjądrowych bakterii. W głębinach były to bakterie siarkowe, a w płytkich wodach przybrzeżnych głównie cyjanobakterie (sinice). Te drugie charakteryzował autotroficzny metabolizm, w którym asymilowały dwutlenek węgla i prowadziły fotosyntezę węglowodanów wykorzystując do tego procesu energie słoneczną, tak jak współczesne rośliny.
Sinice mają się dobrze również dzisiaj, ale ich rozwój już w archaiku przed ponad 2,5 mld lat i ich obfite występowanie w proterozoiku miało dalekosiężne konsekwencje. Asymilując dwutlenek węgla, sinice produkowały coraz więcej tlenu, który początkowo pozostawał w wodach oceanicznych powodując utlenianie metali, a zwłaszcza żelaza. Powstające złoża rud metali odkładały się na dnie oceanów.
Po wykonania tego zadania, około 2 mld lat temu tlen zaczął przechodzić do ziemskiej atmosfery. Zmiana składu jej gazów – ubywanie CO2 i gromadzenie się O2, miała dalekosiężne skutki. Znikała ocieplająca Ziemię gazowa kołdra, jaką tworzyły dwutlenek węgla i metan. Dwuatomowe cząsteczki tlenu w górnych warstwach atmosfery, pod działaniem promieniowania kosmicznego, ulegały przemianie do trójatomowych cząsteczek ozonu (O3). Powstawała strefa chroniąca Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym, co później miało zasadnicze znaczenia dla biologicznego życia na lądach. Zachodziły tam również istotne zmiany. Skalista skorupa ziemska, pod działaniem tlenu i kwaśnych deszczów, zaczęła kruszeć. To również sprzyjało późniejszemu opanowaniu lądów przez rośliny i grzyby.
Biologiczne życie przybierało nowe formy. Przede wszystkim pojawiły się komórki wyposażone w jądra i mitochondria, Zamknięcie DNA w jądrach stabilizowało materiał genetyczny. Natomiast mitochondria były wewnątrzkomórkowymi fabrykami energii napędzającej procesy syntezy i transportu komórkowego. Oceany, zdominowane wcześniej przez bakterie właściwe (eubakterie) i archeony (archeobakterie), wzbogaciły się o pierwsze wodne rośliny, takie jak zielenice i krasnorosty. Pierwszymi roślinami oceanicznymi były prawdopodobnie fotosyntezujące zielenice – zielone algi (glony). Również zielenice, asymilując dwutlenek węgla, generowały duże ilości tlenu. Wzrastający poziom tlenu w wodzie i w powietrzu dyktował konieczność zmian w rozwoju organizmów żywych. Wielkim skokiem było pojawienie się organizmów wielokomórkowych, w tym pierwszych, pozbawionych jeszcze szkieletów zwierząt, m.in. przytwierdzonych do skalistego podłoża gąbek oraz gąbek i stawonogów.
Pod koniec Proterozoiku, jakieś 800-750 mln lat temu, po około 300-350 mln lat istnienia Rodinia zaczęła pękać na skutek wielkich wylewów lawy z wrzącego kotła pod skorupą Ziemi. Po kilkudzieięciu milionach lat superkontynent ostatecznie rozpadł się na dryfujące fragmenty. Podczas pękania i „rozjeżdżania się” fragmentów Rodinni do atmosfery przedostały się („chwilowo” – w geologicznej skali czasowej) olbrzymie ilości dwutlenku węgla. Przez około milion lat duże powierzchnie lądów w strefach erupcji były pokryte wielkimi „plamami” bazaltu. Ulewy kwaśnych deszczów zawierających dwutlenek węgla powodowały wietrzenie i rozpad skały bazaltowej. Spadek stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, potęgowany jego asymilacją przez sinice i zielenice skutkował postępującym oziębianiem się planety.
Po kilkunastu mln lat Ziemia, poczynając od biegunów, zaczęła zamarzać. Sprzyjała temu też duża zawartość dwutlenku siarki w atmosferze tworząca skuteczną barierę dla promieni słonecznych. Poza tym lodowce na lądzie oraz rozrastająca się kilkusetmetrowa pokrywa lodowa na wodzie skutecznie odbijały te promienie, które docierały do powierzchni Ziemi. Przypuszcza się, że wielkie zlodowacenie obejmowało prawie całą kulę ziemską. Wolne od lodu mogły być jakieś okołorównikowe połacie oceanów oraz wody zalegające w skalnych jaskiniach skorupy ziemskiej.
Dla globalnej epoki lodowcowej proponowane jest dla naszej planety określenie „Ziemia Śnieżka”. W tych, panujących około 100 mln lat, warunkach miały szansę przeżyć tylko te pierwotne organizmy, które znalazły dla siebie miejsca do przetrwania i zdołały się do nich przystosować.
Wielkie zlodowacenie Ziemi trwało do czasu, kiedy około 640 mln lat temu przez pokrywy lodowe wystąpiły wielkie wulkaniczne erupcje z gotującego się wnętrza Ziemi. W atmosferze zaczęły gromadzić się wielkie ilości wulkanicznego popiołu dwutlenku węgla. Prowadziło to do narastającego efektu cieplarnianego oraz zwiększonego przyjmowania słonecznego ciepła przez pokrytą popiołem pokrywę lodową. Również lądy stopniowo pozbawiane pokrywy lodowej przyjmowały coraz więcej słonecznego ciepła. Lodowce ustępowały, a uwalniana woda dostawała się do atmosfery i kwaśne deszcze przyspieszały topnienie lodu.
Nastąpiła kolejna katastrofa klimatyczna; temperatura na równiku mogła osiągać nawet 50oC. Dużo gatunków musiało wyginać, ale inne, w tym sinice i glony, przeżywały rozkwit. Asymilacja dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy w dobrze naświetlonych wodach przybrzeżnych, umożliwiła jednak wytwarzanie dużej roślinnej masy organicznej. Generowała także coraz większe ilości tlenu, który w dużych ilościach uwalniał się z wód oceanicznych do atmosfery.
Dawna, archaiczna i proterozoiczna przyroda Ziemi została wystawiona na wielki szok tlenowy, zabójczy dla większości ówczesnych bakterii beztlenowych. Najwięcej prawdopodobnie zginęło, ale część z nich przetrwała w głębinach oceanicznych. Część, zachowując metabolizm beztlenowy, wytworzyła swoistą niewrażliwość na toksyczne działanie tlenu. Obie grupy – bezwzględnych i względnych beztlenowców dotrwały do dzisiejszych czasów znajdując dla siebie odpowiednie nisze ekologiczne, np. w organizmach zwierzęcych, również w naszych ludzkich organizmach. Największy sukces odniosły jednak organizmy, które całkowicie zmieniły metabolizm z beztlenowego na tlenowy. Nastała era Paleozoiczna, nadal charakteryzująca się wielkimi wydarzeniami geologicznymi i obfitująca w doniosłe zmiany wżyciu biologicznym na Ziemi. Ale o tym w następnym odcinku.
