Suuri hapettumistapahtuma (GOE): ilmakehän hapen nousu ja vaikutukset
Suuri hapettumistapahtuma (GOE): miten syanobakteerien hapentuotanto muutti ilmakehän, elämän ja ilmaston — metaani, rautaoksidit, massasukupuutot ja Huronian-jääkausi.
Suuri hapettumistapahtuma (Great Oxygenation Event, GOE) oli vaihe maapallon historiassa, jolloin ilmakehän vapaan hapen määrä kasvoi pysyvästi ja merkittävästi. Käytännössä vapaan hapen kertymistä ilmakehään aiheuttivat valtaosin fotosynteesiä tekevät syanobakteerit, jotka alkoivat tuottaa happea vedestä elektroninluovuttajana. Fotosynteesin synty on vanhempi prosessi, ja todistusaineisto viittaa hapen tuotannon käynnistymiseen jo yli kolmeen miljardia vuotta sitten, mutta ilmassa pysyvä hapen kasvu tapahtui vaiheittain myöhemmin.
Mekanismi — miksi happi jäi ilmakehään vasta myöhemmin
Aluksi vapaata happea sitoi tehokkaasti maapallon kemia: sekä orgaaninen aines että erityisesti liuennut rauta reagoivat nopeasti hapen kanssa. Merissä esiintyi runsaasti Fe2+-muodossa olevaa rautaa, koska liukoisuus on ferrous-ioniympäristöissä suurempi kuin rautaoksidien. Kun happea syntyi, se hapetti tämän liuenneen raudan muodostaen rautaoksidiksi, joka saostui ja muodosti jyrkkiä kerrostumia eli niin sanottuja arkean ja proterotsooisen kauden rautakivinä (banded iron formations). Kun helposti hapettuvaa rautaa ei enää ollut riittävästi sitomassa kaikkea hapen muodostusta, ilmakehään alkoi kertyä vapaata happea — tämä merkkasi GOE:n alkua.
Biologiset ja geokemialliset seuraukset
Vapaa happi oli monille aikaisille eliöille myrkyllistä: useimmat elämänmuodot olivat alkuvaiheessa anaerobisia, joten yllättävä hapen lisääntyminen muuttui ekologiseksi katastrofiksi monille lajeille. Monet nykyisin yksisoluisina tunnetut tumattomat organismit säilyivät, mutta anaerobisille eliöille muutos oli haitallinen ja johti laajoihin sukupuuttoihin. Samalla hapen läsnäolo mahdollisti uudenlaisen aineenvaihdunnan syntymisen — aerobisen hengityksen — jonka myötä energiantuottoa voitiin tehostaa. Tämä loi perustan myöhemmälle solujen erilaistumiselle ja monimutkaistumiselle, kuten eukaryoottien ja monisoluisuuden kehittymiselle.
Stromatoliitteja rakentaneet syanobakteerit muokkasivat ympäristöä, ja muille protistien ryhmille happen kasvu merkitsi sopeutumis- tai kuolemanvalintaa; monet lajit kuolleet sukupuuttoon tai vetäytyivät hapettomiin ympäristöihin.
Ilmastovaikutukset ja jääkaudet
Vapaan hapen nousu vaikutti myös ilmakehän hiili- ja kaasutasapainoon. Hapen reaktiot poistuivat tehokkaasti ilmakehän metaanista (metaaniin), joka on voimakas kasvihuonekaasu. Metaanipitoisuuden lasku johti merkittävään jäähdytykseen, ja yksi mahdollinen seuraus oli Huronian jääkauden, joka ajoittuu GOE:n yhteyteen ja on kenties yksi maapallon pisimmistä jääkausjaksoista. Ilmakehään muodostunut otsonikerros (O3) myöhemmin suojasi pintaa UV‑säteilyltä, mikä avasi uusia elinympäristöjä pinnallisille ja fotosynteettisille organismeille.
Ajoitus, asteittaisuus ja jatko‑oksysidaatio
GOE ei ollut yksittäinen nopea tapahtuma vaan vaiheittainen muutos, jonka tärkein vaihe ajoittuu noin 2,4–2,0 miljardia vuotta sitten. Fotosynteesiä oli kuitenkin käytännössä olemassa jo merkittävästi tätä ennen, jopa yli kolmeen miljardia vuotta sitten, ja hapen tasot vaihtelivat paikallisesti ja ajallisesti pitkään. Sen jälkeen ilmakehän happipitoisuus jatkoi asteittaista kehitystä: modernin ilmakehän happipitoisuuksiin (<≈21 %) päästiin vasta paljon myöhemmin, ja merkittäviä hapettumistapahtumia on ollut myös sen jälkeen (esimerkiksi neoproterotsooisen ajan hapettuminen).
Tiivistelmä
- GOE oli siirtymä, jossa vapaan hapen määrä ilmakehässä kasvoi pysyvästi fotosynteettisten mikro-organismien seurauksena.
- Ennen kuin happi kerääntyi ilmakehään, se sitoutui kemiallisesti mm. liuenneen raudan hapettumiseen ja rautaoksidin saostumiseen, mistä syntyivät laajat rautakivikerrostumat.
- GOE aiheutti laajoja ekologisia mullistuksia: monet anaerobisille eliöille myrkyllinen happi aiheutti sukupuuttoja, mutta samalla se mahdollisti aerobisen aineenvaihdunnan, eukaryoottien ja monisoluisuuden kehittymisen.
- Hapen lisääntyminen vaikutti ilmastoon vähentämällä metaanin määrää ja liittyi suurihin jääkautisiin muutoksiin, kuten Huronian jääkauteen.
Vapaa happi on siitä lähtien ollut olennainen osa maapallon ilmakehää ja ekosysteemejä; GOE oli yksi planeettamme merkittävimmistä geokemiallisista ja biologisista käännekohdista.
O2:n kertyminen maapallon ilmakehään. Punaiset ja vihreät viivat kuvaavat arvioiden vaihteluväliä, kun taas aika on mitattu miljardeja vuosia sitten (Ga). Vaihe 1 (3,85-2,45 Ga): Ilmakehässä ei käytännössä ole O2:ta. Vaihe 2 (2,45-1,85 Ga): O2 tuotetaan, mutta imeytyy valtameriin ja merenpohjan kiviin. Vaihe 3 (1,85-0,85 Ga): O2 alkaa kaasuuntua valtameristä, mutta imeytyy maan pinnoille. Vaiheet 4 ja 5 (0,85 nykyhetki): O2 vajoaa täytettynä ja kaasu kerääntyy.
Ajoitus
Todisteet osoittavat, että vapaata happea tuottivat ensin fotosynteettiset eliöt (prokaryoottiset, myöhemmin eukaryoottiset), jotka luovuttivat happea jätetuotteena. Nämä organismit elivät kauan ennen GOE:tä, ehkä 3500 miljoonaa vuotta sitten (mya). Niiden tuottama happi olisi nopeasti poistunut ilmakehästä "massaruostumisen" myötä, joka johti rautakautisten muodostumien kerrostumiseen. Happea alkoi säilyä ilmakehässä pieniä määriä vasta vähän (~50 miljoonaa vuotta) ennen GOE:n alkua. Ilman vedonpoistoa happi kasaantuisi hyvin nopeasti. Nykyisellä fotosynteesinopeudella (joka on paljon suurempi kuin maakasveista vapaan prekambrikauden aikana) nykyaikaiset ilmakehän happipitoisuudet voitaisiin tuottaa noin 2 000 vuodessa.
Yhteenveto:
- 3 500 mya Arkean eon: syanobakteerien hapentuotanto stromatoliiteissa.
- Happi aiheuttaa raudan kerrostumisen rautaoksideiksi rautamuodostumissa.
- c. 2 400 mya Paleoproterotsooinen kausi: vapaata happea karkaa ilmakehään, enimmäkseen imeytyy maalla.
- c. 850 mya Neoproterotsooinen kausi: happea alkaa kertyä ilmakehään. Hapen lisääntyminen jatkuu paleotsooisen kauden aikana nykyiselle tasolle.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Suuri hapettumistapahtuma (Great Oxygenation Event, GOE)?
A: GOE oli vapaan hapen syntyminen ilmakehäämme, jonka syanobakteerit aiheuttivat fotosynteesiä tekemällä. Se tapahtui pitkän ajanjakson aikana, kolme miljardia vuotta sitten ja noin miljardi vuotta sitten.
K: Miten GOE tapahtui?
V: Ennen GOE:tä orgaaninen aines ja liuennut rauta sitoivat kemiallisesti kaiken vapaan hapen. Kun rautaa ei enää jäänyt riittävästi hapen sitomiseen, ilmakehään kertyi vapaata happea, mikä oli GOE.
K: Mitä seurauksia GOE:lla oli?
V: Happi oli myrkyllistä useimmille maapallon anaerobisille asukkaille tuolloin, joten monet kuolivat sukupuuttoon. Vapaa happi reagoi myös ilmakehän metaanin, kasvihuonekaasun, kanssa, jolloin se poistui ja aiheutti Huronian jäätiköitymisen - kenties pisimmän lumipallojakson maapallolla koskaan. Vapaa happi on siitä lähtien ollut tärkeä osa ilmakehäämme.
K: Mitä on stromatoliitit?
V: Stromatoliitit ovat syanobakteerien muodostamia kerrostuneita rakenteita, joita esiintyy matalissa vesiympäristöissä, kuten laguuneissa ja vuorovesialtaissa. Ne syntyvät, kun bakteerit pidättävät sedimenttihiukkasia limakerroksiinsa ja muodostavat ajan myötä mattoja toistensa päälle.
Kysymys: Miten fotosynteesi vaikutti maapalloon ennen ja jälkeen GOE:n?
V: Fotosynteesi tuotti happea sekä ennen että jälkeen GOE:n. Ennen sitä kaikki vapaa happi kuitenkin sitoutui orgaaniseen ainekseen tai liuenneeseen rautaan, kun taas sen jälkeen ilmaista happea saattoi kerääntyä ilmakehään, koska rautaa ei enää ollut käytettävissä kaiken sitomiseen.
Kysymys: Milloin tämä tapahtuma tapahtui?
V: Suuri hapettumistapahtuma tapahtui kolme miljardia vuotta sitten ja noin miljardi vuotta sitten välisenä aikana.
Etsiä