Dołącz do czytelników
Brak wyników

Temat numeru

20 maja 2020

NR 39 (Maj 2020)

Kiedy naszą planetę przykrył lód
Okresy Ziemi Śnieżki

135

Czy wyobrażacie sobie naszą planetę skutą lodem od biegunów niemalże po równik? Ziemia miewała różne chwile w swojej historii, nie zawsze było kolorowo i nie zawsze życie rozkwitało w każdym jej zakątku. Kilka razy w historii Ziemi doszło do globalnych zlodowaceń trwających nie milenia, a miliony lat, podczas których lodowce pokryły całą planetę. Jak do tego doszło? Jaką rolę odegrały w tym procesie organizmy? Jak globalne zlodowacenie wpłynęło na ewolucję życia? 

Ślady tych odległych wydarzeń zapisane są na każdym kontynencie, rozbudzają wyobraźnię naukowców, takich jak geolodzy, glacjolodzy, a nawet biolodzy. Dla tych ostatnich jest to niezwykła gratka pozwalająca puścić wodze fantazji i zatopić się w pytaniach na temat odległych wydarzeń prekambryjskich i ich implikacji dla późniejszej eksplozji życia.

POLECAMY

Okresy wielkich zlodowaceń

Zlodowacenie, o którym najczęściej wszyscy słyszymy, to najbardziej współczesne zlodowacenie plejstoceńskie. To niedawne zlodowacenie wraz z jego poprzednikami z fanerozoiku to właściwie jakieś karykatury tego, co miało miejsce we wcześniejszym eonie – proterozoiku. To właśnie w tym okresie trwającym od 4,5 mld do 560 mln lat temu doszło do największych w historii naszej planety zlodowaceń. Wielu paleontologów postrzega prekambr (czas przed 560 mln lat temu) jako okres mało atrakcyjny pod kątem badawczym, nie ma zapisu kopalnego z roślinami i zwierzętami… właściwie nuda. Z drugiej strony istnieje obóz dzielnie walczący i postulujący za tym, że za kształtowanie ewolucji roślin i zwierząt odpowiadały właśnie wydarzenia prekambryjskie. Ale zacznijmy od początku. Około 2,4 mld lat temu na Ziemi pojawiają się organizmy, którym zawdzięczamy magiczny pierwiastek zawarty w powietrzu – tlen. Cyjanobakterie, nazywane także sinicami, były pierwszymi organizmami fotosyntetyzującymi, które rozpoczęły redukcję gazów cieplarnianych w atmosferze do tego stopnia, że planeta zaczęła się ochładzać. Warto przy tym podkreślić, że w tym okresie ilość promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi była mniejsza o ok. 25%, dlatego też nawet mała redukcja gazów szklarniowych przez sinice, głównie metanu, doprowadziła do pierwszego globalnego zlodowacenia. Okres ten jest również ważny, ponieważ wielka oksydacja, czyli ówczesna produkcja tlenu na Ziemi, doprowadziła do wielkiego wymierania organizmów beztlenowych. Okres ten nazywany jest zlodowaceniem hurońskim i zakończył się ok. 2,1 mld lat temu. Kres tego zlodowacenia wyznaczyła działalność wulkaniczna, która wprowadziła do atmosfery dużo CO2 i doprowadziła do ocieplenia i tzw. deglacjacji, czyli globalnego roztopu. Po zakończeniu okresu zlodowaceń w atmosferze była już znaczna ilość tlenu, a dwutlenek węgla trwale zastąpił metan w roli głównego gazu cieplarnianego. Potem w historii panował osobliwie nazywany przez geologów tzw. nudny miliard lat. Aż w okresie neoproterozoiku, ok. 750 mln lat temu, zaczął się rozpadać jeden z wielkich superkontynentów, którym była Rodinia. W tym okresie ilość energii słonecznej docierającej do Ziemi była mniejsza o 10%, aktywność fotoautotrofów znacznie wyższa niż w poprzednich okresach. Rozpadający się superkontynent doprowadził do przechwycenia CO2 w wyniku wietrzenia chemicznego i uwięzienia go w osadach morskich. W tym wypadku wietrzenie miało związek z tzw. wolnym cyklem węglowym, czyli procesem, kiedy podczas rozpadania się kontynentu deszcz oraz spływająca woda przechwytywały CO2, które w kontakcie z podłożem tworzyły kwas węglowy i krzemionkę. Ta ostatnia jest m.in. odpowiedzialna za zakwity okrzemek, których osłonki są zbudowane z SiO2 i z kolei znowu redukują ilość gazów cieplarnianych w procesie fotosyntezy. Wydarzenia te doprowadziły do kilku globalnych zlodowaceń nazywanych w literaturze okresami Ziemi Śnieżki (ang. Snowball Earth). W okresie neoproterozoiku dzielimy je na minimum trzy okresy, tj. Sturtian, Marinoan i Gaskier. Zaraz po tym ostatnim następuje okres nazywany Ediakarem, kiedy to na Ziemi pojawiają się pierwsze zwierzęta w zapisie kopalnym. 
A jakie są dowody świadczące o tych wielkich prekambryjskich zlodowaceniach? Są to m.in. małe pojedyncze skałki zachowane w dawnych osadach morskich (tzw. dropstone), które to dryfowały uwięzione w górach lodowych i podczas topnienia spadały na dno oceanów w różnych regionach Ziemi. Zatem kamienie tego typu znajdujące się w osadach przy równiku świadczą, że góry lodowe dryfowały w tym obszarze. Dowodem są też wstęgowe rudy żelaziste, które są szczególnie ważne w przypadku zlodowaceń hurońskich, kiedy to tlen produkowany przez sinice wiązał się z wolnym żelazem w oceanie i opadał na dno, umożliwiając dominację w toni wodnej krzemionki, która z kolei, podczas zlodowacenia opadając przykrywała wstęgę żelaza, aby znowu żelazo w wodzie mogło połączyć się z tlenem i opaść na dno. Takie naprzemienne odkładanie się żelaza i krzemionki uformowało wstęgi. Wzrastający w atmosferze poziom tlenu wiązał się także ze spadkiem temperatur, co wpłynęło na pojawienie się nad wodami morza pokryw lodowych, które ograniczyły fotosyntezę w wodach, tym samym wstęgi żelaziste zostały pokryte osadami zlodowaceń hurońskich. Kolejny dowód na zlodowacenia w skali globalnej to magnetyzm skał, które znalezione są w okolicach równika (ówczesnego, bo jak wiemy kontynenty dryfowały), a pochodzą z dalekiej północy i prawdopodobnie zostały przeniesione przez lód lub też znajdują się w osadach glacjalnych. Kolejne źródło informacji to stabilne izotopy węgla 12C i 13C, których proporcje wahają się w badanych osadach, co wskazuje odpowiednio na okresy wzmożonej fotosyntezy (kiedy oceany nie były przykryte lodem) i jej okresowe redukowanie przez lód ograniczający dostęp do światła. W końcu ostatnia neoproterozoiczna Ziemia Śnieżka pozostawiła po sobie typowe osady i ślady zlodowaceń w różnych miejscach Ziemi.

Implikacje biologiczne 

Dotychczas postawiono wiele hipotez dotyczących pojawienia się i ewolucji organizmów wielokomórkowych. Na tle różnych wyjaśnień okresy zlodowaceń, zwłaszcza hurońskich, wydają się być czynnikiem, który ukształtował pierwsze relacje altruistyczne i tym samym wielokomórkowe formy życia. Istnieją modele matematyczne, które zakładają, że silna presja selekcyjna na Ziemi pokrytej lodem wpłynęła na pojawienie się pierwszej wielokomórkowej kooperacji. Wszędzie zimno, właściwie przez większość czasu przeważały temperatury poniżej zera, a żyć trzeba. Organizmy jednokomórkowe zaczęły się łączyć i tworzyć kolonie, tak aby lepiej chronić się przed negatywnymi czynnikami fizycznymi dominującymi na Ziemi pokrytej lodem. Według autorów pracy opublikowanej w czasopiśmie Geobiology (patrz spis literatury), w ten sposób mogły wyewoluować organizmy wielokomórkowe. Jedna z najnowszych prac opublikowanych w czasopiśmie nature ecology&evolution, sugeruje, że życie wielokomórkowe pojawiło się znacznie wcześniej niż sądzimy, a na dowód autorzy opisują wielokomórkowego przedstawiciela roślin sprzed ok. miliarda lat temu. Zatem nie można wykluczyć, że swoją rolę w procesie ewolucji organizmów wielokomórkowych odgrywała także dawna Ziemia Śnieżka.
Tak zwany boring bilion to wspomniany wyżej nudny okres w geologii, kiedy to warunki na Ziemi były względnie stabilne. Ale z punktu rozpatrywania ewolucji życia na Ziemi, może nie było dynamicznie, ale wcale nie tak nudno. Wyewoluowała wówczas najbardziej pierwotna grupa glonów glaukofity, które uważane są za przodków roślin zielonych. Około 700 mln lat temu przodek wszystkich roślin zielonych rozdzielił się na dwie duże grupy Chlorophyta (zielenice) oraz Streptophyta (rośliny lądowe, czyli przedstawiciele roślin telomowych). Obie grupy różnią się od siebie morfologią, fizjologią i różnymi szlakami fotooddychania. Rozdział tych dwóch grup miał prawdopodobnie związek z pierwszym zlodowaceniem w okresie neoproterozoicznej Ziemi Śnieżki. Przyczyną była silna presja selekcyjna związana z niskimi temperaturami, konkurencją o dostępną i odpowiednią przestrzeń oraz światło. Podstawową różnicą we wczesnej ewolucji Virdiplanatae (roślin zielonych) była separacja siedlisk na słodkowodne dla grupy Streptophyta i słonych dla grupy Chlorophyta. Spadek zawartości CO2 wpłynął na potrzebę fotoodychania (pobieraniem tlenu i wydzielaniem dwutlenku węgla na drodze innej niż oddychanie komórkowe). Chlorophyta wyewoluowały pod lodem morskim z limitowaną dostępnością światła, dlatego też jakakolwiek oszczędność energii była dla nich korzystna. Streptophyta, które miały możliwość żyć na powierzchni zlodzonej planety w zbiornikach słodkowodnych nie były limitowane przez dostawę światła. Ostatnie zlodowacenie neoproterozoiku, Gaskier, mogło ostatecznie pchnąć ewolucję roślin lądowych. Zlodowacenie wykorzystało mnóstwo dostępnej wody, przez co część zbiorników słodkowodnych wyschła, a za tym ciosem rośliny powędrowały na ląd. Kolonizacja ekosystemów lądowych przez rośliny zmieniła naszą planetę na taką, jaką znamy dziś. To jednak zaledwie jedna z wielu hipotez wyjaśniających ewolucję roślin i ich wyjście na ląd. Ale właśnie ta jest szczególnie interesująca dla badaczy lodu i życia.
Istnieją niezbite dowody z zapisu kopalnego, że pierwsze zwierzęta pojawiły się w okresie Ediakaru, czyli tuż po wspomnianym zlodowaceniu Gaskier w neoproterozoiku, a przed kambryjską eksplozją życia (ok. 560 mln lat temu) kończącą proterozoik i rozpoczynającą nowy eon w historii Ziemi – fanerozoik. W Ediakarze po raz pierwszy pojawiają się makroskopowe zwierzęta. Co mogło wpłynąć na ich ewolucję? Wielu naukowców dowodzi, że było to związane z wcześniejszymi zlodowaceniami. Wielki roztop dostarczył wiele składników odżywczych do wczesnych ediakarskich wód, a wyjątkowo duża ilość tlenu produkowanego przez rozdzielające się linie roślin i pełne wody fitoplanktonu zasilanego krze­mionką i żelazem pozwoliła na ewolucję, wówczas jeszcze niezłożonych, ale pierwszych zwierząt. Niektórzy uważają, że fauna pojawiła się znacznie wcześniej między zlodowaceniami, ale delikatne i kruche powłoki ciała nie zachowały się w zapisie. Ni...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy