Ugrás a tartalomhoz

Ökológia

Dr. Horváth Balázs, Pestiné dr. Rácz Éva Veronika (2011)

I.2. Az élet megjelenése ─ és túlélése az éghajlati szélsőségek időszakában

I.2. Az élet megjelenése ─ és túlélése az éghajlati szélsőségek időszakában

Az élet a cseppfolyós víz 4 milliárd évvel ezelőtti megjelenése és a 3,3-3,5 milliárd éves első (kövületek által bizonyított) életnyomok közötti időben jelent meg Földünkön. Feltételezésünk szerint mintegy 3,5-3,8 milliárd éve jöhettek létre az első baktériumszerű élőlények. Ezen első szervezetek létrejöttét az abiotikus kémiai folyamatok által létrehozott bonyolult szerves vegyületek megjelenése és fokozatos feldúsulása tette lehetővé a vizekben. Az első élő sejtek valószínűleg ugyanazokkal a szerves vegyületekkel táplálkoztak, mint amelyekből létrejöttek, tehát heterotrófok voltak. (Az anaerob körülmények miatt a szerves vegyületek lebontásához természetesen nem használhattak fel oxigént, ezért kénytelenek voltak viszonylag szerény felszabaduló energiamennyiséggel beérni.) Az is lehet azonban, hogy kemoautotrófok (kemoszintetizálók) voltak, azaz egyes, a környezetükben megtalálható szervetlen vegyületeket vittek hőtermelő reakcióba, majd a folyamat során felszabaduló energiát használták fel anyagcserefolyamaik energiaigényének fedezésére.

Idővel ─ talán a vizekben oldott szerves anyagok fogytával ─ megjelentek olyan élőlények, amelyek a napfény energiájával szén-dioxidból és vízből szénhidrátot és oxigént tudtak előállítani az alábbi egyenlet szerint:

CO2 + H2O → (CH2O) + O2

A folyamatban keletkező szénhidrát a sejt számára hasznos anyag volt, hiszen annak továbbalakításával állította elő azokat a vegyületeket, amelyekből sejtje felépült. A szintén a termékek között szerepelő oxigén azonban csak melléktermék, amely nemcsak felesleges, hanem az őt előállító sejtre sokszor még mérgező is volt. Később azonban kifejlődtek azok az élőlények, amelyek saját vagy a környezetből felvett szerves anyagaikat oxigén felhasználásával bontották el. E folyamat lényege ugyanaz, mint amit a fenti egyenlettel leírtunk, csak az ellenkező irányban megy végbe, szerves anyagokból és oxigénből víz és szén-dioxid jön létre. Ennek a fajta anyagcserének az előnye a már korábban megjelent (és az előző bekezdésben említett) anaerob anyagcserével szemben az, hogy folyamata során ugyanannyi szerves anyagból tízszer annyi energia szabadul fel. Az aerob sejtek hatásfoka egy nagyságrenddel nagyobb, mint az anaeroboké.

Visszatérve a fotoszintetizáló sejtekhez, a felszínt elérő erős ultraibolya sugárzás miatt az első élőlények nemcsak a szárazföldön nem élhettek, hanem még 10 méternél sekélyebb vízmélységben sem maradhattak fenn. Ekkor ugyanis nem volt még annyi oxigén a légkörben, hogy ózonná (O3) továbbalakulva és ózonpajzsot alkotva hatékony védelmet nyújthasson a Napnak az élőlények örökítőanyagára rendkívül káros UV-B sugárzása ellen. Tíz méteres vízréteg azonban a napsugárzás fotoszintetikusan aktív komponensét is eléggé elnyeli, így a fotoszintézis sebessége, és vele a légkör oxigéntartalmának növekedése kezdetben meglehetősen kicsi volt.

Ha lassan is, a légkör CO2-tartalma csökkenni, O2-tartalma pedig növekedni kezdett, a széndioxid-molekulák szénnatomjai pedig az élőlények szerves anyagaiba záródtak be. Az óceánok tíz méter körüli vékony vízrétegében (ennél kisebb mélységben túl erős volt az UV-B, alatta viszont túl gyenge a napfény) azonban nem jöhetett létre akkora élőlénytömeg, amely a légkör hatalmas CO2-készletének majd’ összes széntartalmát magába gyűjthette és szerves anyagaiban megkötve tarthatta volna. Talán még annyi sem, amennyi ahhoz kellett volna, hogy a felszabaduló oxigénből elegendően hatékony ózonpajzs jöhessen létre. Az elpusztuló sejtek szerves anyagai ugyanis a fenti egyenlet szerinti módon (jobbról balra olvasva) lebomlanak, és széntartalmuk CO2-dá alakulva újból a levegőbe kerül. Egy fotoszintetizáló élőlény testének CO2-dá és vízzé való lebomlásakor ugyanannyi oxigén használódik fel, mint amennyi a felépülésekor, egy élet fotoszintézise során összesen keletkezett, ezért akárhányszor épül fel és bontódik le egy fotoszintetizáló test, a légkör oxigéntartalma nem változik. Csak az adott pillanatban a bolygón meglévő szerves anyagok összes mennyisége számít: ez mutatja meg a légkör oxigéntartalmát, mert minden egyes szerves szénatomnak a légkörben egy oxigénmolekula felel meg.

Tehát nem feltételezzük, hogy a vékony vízrétegben akkora élő tömeg halmozódott fel, aminek ellenértékeként a légkör oxigénnel töltődhetett volna fel. A légkörben idővel mégis felszaporodott az oxigéngáz. Ezt azt tette lehetővé, hogy a fotoszintetizáló élőlények jelentős része elpusztulását követően a mélybe süllyedt, ahol nem bontódott le, hanem hosszú időre kikerült a körforgásból. Így az az oxigénmennyiség, amely a lesüllyedt élőlények élete során, testük fotoszintézissel való felépülésekor a levegőbe került, az nem használódott fel testük lebontására, hanem a légkörben maradt. Így az elpusztult fotoszintetizálók folyamatos lesüllyedésével az oxigén felszaporodhatott a légkörben.

Két folyamatot is láttunk az előbbiekben, amely a légköri CO2 mennyiségét hatékonyan csökkenteni képes: a szilikátos kőzetek mállását és a fotoszintetikus szervezetek mélybe süllyedését. Szerencsére a két folyamat lelassult, mielőtt a szén-dioxid koncentrációja túl alacsonyra csökkent volna. A CO2 fogyása miatt ugyanis gyengült az üvegházhatás, aminek eredményeképpen jobban lehűlt a Föld, a kisebb hőmérséklet pedig visszafogta mindkét CO2-elvonó folyamat sebességét. A sebességek ugyan nem csökkentek egészen zérusra, de relatív fölénybe kerülhettek olyan folyamatok (vulkánosság), amelyek viszont CO2–ot juttatnak a légkörbe. Így egy negatív visszacsatolásos folyamat jött létre, amely a Föld hőmérsékletét egy többé-kevésbé állandó szinten tartotta (1. ábra):

1. ábra: A fiatal Föld hőmérsékletét befolyásoló főbb hatások dinamizmusa

A vázolt negatív visszacsatolásnak az élet fenmaradásában nagy jelentősége volt. A bioszféra már az élet korai szakaszában komoly éghajlatbefolyásoló tényezővé nőtte ki magát.