Aby něco nového vzniklo, musí něco starého odejít

Dějiny kyslíku

Aby něco nového vzniklo, musí něco starého odejít
Dějiny kyslíku

Obsah dostupný jen pro předplatitele.
Přihlásit se můžete zde.

Pokud nemáte předplatné, nebo vám vypršelo, objednat si ho můžete zde.

Obsah dostupný jen pro předplatitele.
Předplatné můžete objednat zde.

Pokud nemáte předplatné, nebo vám vypršelo, objednat si ho můžete zde.

Samozřejmé věci jako kočka, voda, lišejník či kyslík většinou vůbec nejsou samozřejmé. Pochopitelně že na nich záleží víc než na volebních preferencích nebo na novém mobilu, který vás dokáže sledovat mnohem účinněji a maskuje to několika novými aplikacemi, které do měsíce zestárnou. Na atmosféře, bez které bychom nepřežili ani tři minuty, je nejzajímavější, že vznikla díky životu a že to je nejvíc ze všeho život, který ji prostřednictvím zpětných vazeb hlavně mezi lesem, půdními mikroorganismy a mořským planktonem udržuje nějakých 300 milionů let v určité rovnováze. Tuto síť života, kolébku, která nám savcům dává určitý životní komfort, kdysi nazval James Lovelock „Gáia“.

Zaujala ho tím, že záležitost tak křehká a zranitelná jako ovzduší udržuje teplotu a obsah plynů v takovém rozmezí, že umožňují evoluci biosféry. A to mezitím sopky soptí, meteority padají a zvířata vymírají. Celá záležitost má filozofický dopad. Pokud by totiž stovky milionů let trvaly takové podmínky, že svět se může i přes četné krize víceméně kontinuálně vyvíjet, mohlo by to znamenat, že má smysl. Co na tom, že jej nedohlédneme, to trilobiti ani raptoři taky nedokázali, ale kosmicky nás to uklidňuje, určitě víc než každodenní zpravodajství.

Nouzové řešení

Za většinu pokroku vděčíme hltavosti. První mikroorganismy se nejspíš živily složitějšími molekulami organických látek, které vznikaly mnoha anorganickými reakcemi třeba v okolí podmořských výlevů nebo blesky v ovzduší bohatém na oxid uhličitý. Pak přišel na řadu vodík uvolňovaný z látek, jako je sulfan (sirovodík) či kyselina mléčná. Tyto zdroje nebyly trvalé a konkurence byla velká, takže snad z nouze či „zoufalství“ se bakterie naučily rozbíjet vodu a využívat vodík, zatímco kyslík unikal do okolního prostředí. Bakterie zpracovávaly vodu, oxid uhličitý a sluneční záření, aby získaly formaldehyd. Tato reakce jim dala šestkrát víc energie než fotosyntéza na základě sulfanu, ale cena byla rovněž veliká. Když organismus spotřebuje vodík ze sulfanu, tak zbude síra, které se snadno zbaví, anebo jí využijí jiné bakterie a vytvoří přitom kyzové břidlice, které byly v 19. století těženy například v Hromnicích v západních Čechách. Jenže monoatomický kyslík získaný rozbitím molekuly vody je silně toxický, protože rozkládá organické látky. Je to ještě horší, než když ve městě během letního fotochemického smogu dýcháte vzduch se zvýšeným obsahem ozónu.

Buňky potřebovaly látku, která bude účinek smrtelně škodlivého obsahu kyslíku eliminovat, a přišly na superoxid dismutázu (SOD), kterou získaly mutací již existujících enzymů. SOD umožňuje pohlcovat monoatomický kyslík a převést jej na běžný dvouatomický kyslík O2, který je chemicky mnohem méně aktivní, a ten pak vypudit do okolního prostředí. Dismutáz má víc druhů, ale všechny jako základní buňku obsahují strukturu podobnou „neživému“ minerálu obsahujícímu mangan, železo a někdy i zinek, molybden a další kovy. Je to další důkaz dávného tenkého rozhraní mezi anorganickou a organickou strukturou.

Látky typu SOD využívá i naše tělo. Je to zřejmě nejstarší evoluční mechanismus, který v sobě nosíme. V průběhu prvohor jsme postupně od různých, dnes už většinou vymřelých tvorů posbírali páteř (od graptolitů), souměrné tělo, které má hlavu a zadek (od červů), nervovou síť (od trilobitů a členovců), a mnoho dalších chytrých adaptací. V podstatě jsme paleontologická sbírka, jejíž nejstarší prvek – SOD – je starý víc jak tři miliardy let.

Kyslíková revoluce

Uvolňování kyslíku byl pomalý geologický proces, který před 2,4 miliardy let začal nabírat na rychlosti. Zhruba od té doby hovoříme o velkém oxidačním eventu (Great Oxygenation Event). Proč jej datujeme právě do tohoto období? Především celých 92 % páskovaných železných rud pochází z intervalu mezi 2,5 a 2,3 miliardy let. Na pevnině se poprvé objevují takzvané červené vrstvy, které ke svému vzniku potřebují trojmocné železo a tím i kyslík.

I dnes reaguje část fotosynteticky vytvořeného kyslíku s dalšími látkami – metanem, který rozbíjí na vodu a oxid uhličitý, se sirníky, ze kterých vznikají sírany, a s dvoumocným železem. Pokud vám na zahrádce rezaví plot, tak potřebný kyslík dodaly hlavně lesy Sibiře a Amazonie. Něco se ho spotřebovalo na rez, takže v dalších letech jej musely doplnit. Trvalo celé stamiliony let, než bylo na páskované rudy spotřebováno dvoumocné železo a kyslík se mohl začít hromadit ve vodě a atmosféře. Byla to tak velká změna, že někdy hovoříme o kyslíkové revoluci.

Páskované železné rudy od nás neznáme, ale v Brazílii či Austrálii vytvářejí ta největší ložiska železných rud na světě. Odhaduje se, že v některých pánvích sedimentovalo až 30 milionů tun oxidů železa každý rok. Představují ještě větší hádanku než bochníkovité útvary tvořené řasami a sinicemi – tzv. stromatolity, které byly hlavním světovým producentem kyslíku až do té doby, kdy se objevily žravé organismy, které je víceméně zničily. A tehdy také obsah kyslíku poklesl.

Páskované železné rudy se podobají stromatolitům tím, že se v nich, někdy i víc jak milionkrát, střídá vrstva oxidů železa s vrstvou převážně křemenného složení. Původní atmosféra Země byla redukční, takže staré oceány obsahovaly velké množství rozpuštěného železa. I v dnešních bezkyslíkatých vodách Rudého moře nalezneme 5000x vyšší obsah železa než v prokysličených povrchových vodách Atlantiku. Mořské proudy vynášely železo, ale mikroorganismy jej srážely jen v těch místech mělkých moří, kde byl dostatek kyslíku. Jezdíte automobilem? Podstatná část kovu, ze kterého byl vyroben, je vedlejším produktem fotosyntetických procesů dávných mikroorganismů.

Za většinu pokroku vděčíme hltavosti - Foto: Jan Zatorsky

Jak měříme kyslík?

Jeden z mála způsobů, jak aspoň orientačně změřit obsah kyslíku v atmosféře dřívějších geologických období, je založen na analýze vzácných zemin, zejména europia v kalcitu, jež tmelí staré sedimenty. Europium se v mořské vodě vyskytuje v poměrně dobře rozpustné trojmocné formě a ve špatně rozpustné dvoumocné formě. Pokud se v mořské vodě rozpustí víc kyslíku, tak sloučeniny europia přejdou na nerozpustnou, víc kyslíkatou formu. Věc není tak jednoduchá, protože různé vrstvy mořské vody obsahují různá množství kyslíku a také část kyslíku do sebe vážou oxidy železa a manganu. Jiným, ale rovněž složitým a nejednoznačným ukazatelem obsahu kyslíku jsou sloučeniny molybdenu.

Obsah kyslíku v atmosféře nejprve rostl, ale pak na konci starohor došlo k vymírání stromatolitů a tím i poklesu kyslíku. Nové druhy mořských řas však výpadek dohnaly a netrvalo to ani dlouho, sotva 30 milionů let. Systém založený na dvou zásobnících kyslíku – na oceánu a atmosféře – však není stabilní a často podléhá oscilacím. Pokud Gáia existuje, tak hledala sama sebe a hlavně ještě další stabilizující mechanismus, kterým se od devonu stal les. Šlo hlavně o vyladění toků kyslíku a oxidu uhličitého mezi planktonem, stromy a atmosférou.

Nebyla to vůbec jednoduchá záležitost, protože třeba v karbonu, odkud pochází většina světových zásob uhlí, došlo k tak rychlému růstu lesa, že z atmosféry stáhl většinu oxidu uhličitého a tím snížil intenzitu skleníkového jevu, a proto i teplotu zemského povrchu. Přitom vylučoval kyslík, kterého najednou bylo tolik, že škorpioni či vážky mohli dorůst skoro metrové velikosti. Hmyz totiž dýchá víceméně pasivně pomocí vzdušnic. Hmotnost jeho těla roste s třetí mocninou a povrch těla jenom s druhou mocninou, takže při běžné kyslíkové koncentraci nemůže překročit určitou velikost. Tehdy to skončilo příchodem ledové doby a mohlo by být ještě hůře, kdyby se několik málo druhů bakterií nenaučilo štěpit stavební kostru stromů – lignin – a opět uvolňovat oxid uhličitý do atmosféry.

Kačácká událost

Vraťme se však do starších prvohor. V mnoha lomech Českého krasu třeba u Chuchle, Kosoře či Berouna často narazíte na černé břidlice. Jedna z těchto poloh, která byla poprvé popsána z údolí Kačáku a také se jí mezinárodně říká „kačácký event“, se dá vysledovat až do Ameriky a Číny. Tato vrstva představuje předehru k jednomu z pěti největších vymírání, k jakým kdy na Zemi došlo. Jde o krizi pozdního devonu, která se někdy označuje podle typové lokality jako Kellwasser. Co se tehdy stalo? Není to úplně jasné, protože tu byla kaskáda příčin, které měly svůj původ na pevnině i v moři. Krize možná začala tím, že na pevnině došlo na ploše skoro šest milionů čtverečních kilometrů k výlevu láv. Ty rychle zvětrávaly a vázaly do sebe část oxidu uhličitého. Hodně CO2 v geologickém záznamu vždy znamená teplo a málo CO2 vždy znamená zimu. Tento proces byl však poměrně pomalý. Mnohem větší dopad měl přísun živin ze sopečných hornin do oceánu.

V pobřežních mořích vedl k přemnožení mořského planktonu. Ten padal na mořské dno, ale kyslíku bylo ve vodě tak málo, že nedošlo k jeho okysličení. Právě naopak vznikly mocné polohy černých břidlic, které jsou například v USA těženy jako zdroj břidlicového plynu. Americké pánve mají mocnost až 2 km černých břidlic, zatímco u nás to je sotva 20 m, takže jakákoli těžba je u nás nepravděpodobná. V téměř bezkyslíkatých „černobřidličných“ mořských pánvích starších prvohor však byly nalezeny pozůstatky purpurových bakterií. Ty jsou schopné uvolňovat jedovatý sulfan (sirovodík) a otrávit i výše položené mělčiny. A kdyby se sulfan dostal i do atmosféry, jak někteří paleontologové věří, tak dokáže zničit ochrannou ozonovou vrstvu Země.

Prožít evoluci

Často slýcháme, že kdo nezná historii, bude nucen ji prožít. Ale věc je možná ještě závažnější, protože se týká i dějin Země a evoluce života. Rozdíl je v tom, že lidské dějiny se odehrávají hlavně v sociálním prostředí, zatímco dějiny Země v přírodním prostředí. A s ním jsme právě teď trochu na štíru. Stabilní koncentrace kyslíku bylo dosaženo až v karbonu, kdy vznikl první pořádný les množící se semeny a s houbami a bakteriemi schopnými rozkládat dřevní hmotu. Samotný oceán na „gáiovskou“ rovnováhu nestačil. Z geologického hlediska nebyla většina vymírání způsobena dopadem meteoritů jako na konci druhohor ani sopečnou činností jako na konci prvohor, ale přesunem uhlíku z atmosféry do oceánu či lesa a naopak. Z fyzikálního hlediska oxid uhličitý funguje tak, že jeden den jej vypustíte a hned druhý den o něco málo zesílí skleníkový jev. Z biologického hlediska však dojde k pozvolné reorganizaci ekosystému, která obvykle probíhá v pulzech a jako celek trvá několik desítek či častěji několik stovek tisíc let.

Bývá doprovázena migracemi, výměnou faun, růstem či naopak destrukcí korálových útesů a mnoha dalšími procesy celkové změny. Upřímně řečeno, v dobách, kdy jsem toho věděl méně o vymírání na konci kambria, ordoviku, devonu či karbonu, jsem byl mnohem klidnější. V každém z nich hrálo svoji roli složení atmosféry, které se dříve či později projevilo změnou teploty, mořského proudění, ukládání sedimentů a hlavně evolucí životního prostředí. Pokrok a evoluce jsou skvělá věc až do chvíle, kdy si člověk uvědomí, že aby mohlo něco nového vzniknout, tak něco starého musí odejít.
 

6. května 2019