Jak powstał ozon w atmosferze?
Chociaż dziś nie wyobrażamy sobie życia na Ziemi bez tlenu, to jednak nie zawsze w atmosferze naszej planety ten pierwiastek był obecny. Początki historii Ziemi to atmosfera beztlenowa, w jej skład wchodziły głównie CO2, N2, para wodna i gazy szlachetne. Z czasem ta sytuacja się zmieniła, zrobiło się chłodniej, para wodna skondensowała, powstały morza i oceany. Nie było jeszcze warstwy ozonowej a promieniowanie słoneczne było zabójcze dla organizmów żywych. Jedynie zbiorniki wodne mogły być zasiedlane przez organizmy żywe, gdyż woda chroniła je przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym.
Około 2 – 2,3 miliarda lat temu w oceanach rozwinęły się proste organizmy określane jako cyjanobakterie, czyli sinice (na zdjęciu tytułowym widać mikroskopowe zdjęcie współczesnych cyjanobakterii). Miały one w swoich komórkach zielony barwnik – chlorofil, dlatego w procesie określanym jako fotosynteza mogły wykorzystywać energię słoneczną i dwutlenek węgla do produkcji materii organicznej i tlenu.
Powstający tlen zużywany był początkowo w reakcjach chemicznych (głównie z żelazem) i absorbowany w ocenach. Musiały minąć kolejne miliony lat, żeby zaczął gromadzić się atmosferze. Dla żyjących w tym czasie organizmów (były to głównie proste jednokomórkowe formy beztlenowe) nie było to zjawisko pozytywne – tlen był dla nich po prostu toksyczny. Zjawisko które wtedy nastąpiło, określane jako wielka katastrofa tlenowa, doprowadziło do pierwszego masowego wymierania gatunków. Oczywiście zwiększająca się ilość tlenu w atmosferze przyczyniła się także do rozwoju organizmów wielokomórkowych.
Wykres prezentuje zmiany ilości tlenu w atmosferze w poszczególnych etapach rozwoju Ziemi (czerwona i zielona linia wskazują na zakres oszacowania zawartości tlenu, Ga – mld lat).
Faza 1. (3,85–2,45 mld lat): zarówno atmosfera, jak i oceany były praktycznie beztlenowe, niewielka ilość tlenu mogła występować w płytkich oceanach;
Faza 2. (2,45–1,85 mld lat): początki atmosfery tlenowej, jednak większość tlenu była absorbowana w oceanach i zużywana w reakcjach utleniania;
Faza 3. (1,85–0,85 mld lat): tlen zostaje uwalniany do atmosfery, jednak nie obserwowano znaczącej zmiany stężenia O2 w atmosferze;
Faza 4. i 5. (od około 0,85 mld lat): wzrost ilości tlenu w atmosferze.
Ale nie tylko tlen był potrzebny, żeby na lądzie mogło rozkwitnąć życie. Cząsteczki O2 musiały ulec rekombinacji, tak aby powstał ozon. Część cząsteczek tlenu (O2) absorbowała energię pochodzącą ze Słońca (promieniowanie UV), a krótkie fale promieniowania słonecznego niosły ze sobą wystarczającą ilość energii, żeby rozerwać wiązania w cząsteczce. Dzięki temu powstawał tlen atomowy, który następnie łączył się z cząsteczkami O2 i tym samym powstawała cząsteczka trójatomowa O3, czyli właśnie ozon. Prawdopodobnie ozonosfera powstała około 600 milionów lat temu, a główna ilość trójtlenu zgromadziła się w warstwie na wysokości około 25-30 km nad powierzchnią Ziemi. Powstały wtedy ochronny parasol warstwy ozonowej, zatrzymujący zabójcze promieniowanie UV, pozwolił na intensywny rozwój życia na Ziemi, ponieważ organizmy, które przystosowały się do życia w atmosferze tlenowej mogły wyjść na ląd.
Reakcje powstawania ozonu przy udziale promieniowania UV
Źródła:
Shih PM. 2019. Early cyanobacteria and the innovation of microbial sunscreens. mBio 10:e01262-19. https://doi.org/10.1128/mBio.01262-19.
Holland, Heinrich D., 2006. The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society: Biological Sciences. 361 (1470): 903–915. doi:10.1098/rstb.2006.1838.PMC 1578726. PMID 16754606.
Blaustein R, 2016, The Great Oxidation Event: Evolving understandings of how oxygenic life on Earth began, BioScience, Volume 66, Issue 3, 189–195, https://doi.org/10.1093/biosci/biv193
Zdjęcie tytułowe: zdjęcie mikroskopowe cyjanobakterii; autor: quapan, źródło: https://www.flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839/, licencja: CC BY 2.0
