Jeśli lubisz zapach wiosennych róż, odgłosy letniego śpiewu ptaków i kolory jesiennych liści, możesz podziękować stabilizacji warstwy ozonowej. Położona w stratosferze, gdzie chroni Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym, warstwa ozonowa odgrywa kluczową rolę w zachowaniu różnorodności biologicznej planety.
A teraz być może mamy lepsze pojęcie, dlaczego trwało to tak długo – ponad 2 miliardy lat.
Według nowego badania prowadzonego pod kierunkiem Yale, w początkowej fazie ziemskiej atmosfery toczyła się królewska bitwa pomiędzy jodem i tlenem, skutecznie opóźniając utworzenie stabilnej warstwy ozonowej, która chroniłaby złożone formy życia przed dużą częścią słonecznego promieniowania ultrafioletowego (UVR).
Nowa teoria, opisana w badaniu opublikowanym w czasopiśmie Proceedings of the National Academies of Science, może rozwiązać zagadkę, która intryguje naukowców od setek lat.
„Pochodzenie i zróżnicowanie złożonego życia na Ziemi pozostaje jednym z najgłębszych i najtrwalszych pytań w naukach przyrodniczych” – powiedział Jingjun Liu, doktorant w dziedzinie nauk o Ziemi i planetach w Yale oraz pierwszy i korespondent autor nowego badania.
Rzeczywiście naukowcy od dawna zastanawiali się, dlaczego rośliny lądowe pojawiły się na Ziemi dopiero 450 milionów lat temu, mimo iż ich przodkowie, sinice, istniały od 2,7 miliarda lat. Podobnie nie ma skamieniałości złożonych zwierząt lądowych i roślin sprzed ery kambru (541 do 485 milionów lat temu), pomimo dowodów na istnienie znacznie starszych mikroskamieniałości.
„Jedyne istniejące wyjaśnienie głosi, iż to opóźnienie jest nieodłączną cechą ewolucji – iż wymagana jest ogromna ilość czasu” – powiedział Noah Planavsky, profesor nauk o Ziemi i planetach, członek wydziału Yale Center for Natural Carbon Capture, i starszy autor nowego badania. „Jednak to pojęcie nie wyjaśnia, w jaki sposób i dlaczego powstało i zróżnicowało się złożone życie”.
Nowe badanie sugeruje, iż przyczyną było coś innego niż potrzeba czasu: opóźniona stabilizacja warstwy ozonowej Ziemi, spowodowana podwyższonym stężeniem jodu w morzu, które zapobiegało tworzeniu się ochronnej osłony UVR w atmosferze.
Produkcja ozonu zależy od tlenu atmosferycznego i tła UVR. Naukowcy powszechnie przyjmują, iż gdy na Ziemi osiągnięto znaczne stężenie tlenu atmosferycznego, na planecie utworzyła się warstwa ozonowa, która umożliwiła niezakłócony przebieg ewolucji biologicznej.
„Podważamy ten paradygmat, rozważając, w jaki sposób ewoluujący cykl jodu na Ziemi mógł wpłynąć na obfitość i stabilność ozonu” – powiedział Liu.
Na potrzeby badania zespół badawczy pod kierownictwem Yale przeanalizował wiele niezależnych dowodów geologicznych i opracował model ocean-atmosfera w celu rekonstrukcji dynamiki jodu i ozonu na wczesnej Ziemi. Naukowcy odkryli, iż podwyższona zawartość jodku w morzu (powstającego, gdy jod łączy się z innym pierwiastkiem, tworząc sól) przeważała przez większą część historii Ziemi, co doprowadziłoby do znacznych emisji nieorganicznego jodu do atmosfery po wzroście zawartości tlenu – z potencjałem za zakłócanie ozonu.
Mechanizm niszczenia ozonu przez jod jest podobny do procesu, w wyniku którego chlorofluorowęglowodory (CFC) utworzyły „dziurę ozonową” nad Antarktydą. Kiedy CFC ulegają fotolizie, uwalniają reaktywny chlor, który katalitycznie niszczy ozon w stratosferze, prowadząc do zubożenia aż o 50% w kontynentalnej Antarktyce w szczytowym momencie problemu.
„Cykle katalityczne niszczenia ozonu napędzane jodem przebiegają według podobnego procesu i są kinetycznie znacznie szybsze niż te z udziałem reaktywnego chloru” – powiedział Planavsky. „Nasze obliczenia fotochemiczne wskazują, iż choćby umiarkowany wzrost emisji nieorganicznego jodu do morza może spowodować zubożenie warstwy ozonowej w całej atmosferze dziesiątki, a choćby setki razy w porównaniu z obecnym poziomem”.
Liu zauważył, iż w skali globalnej niestabilny i niski poziom ozonu prawdopodobnie utrzymywał się od 2,4 miliarda lat temu do około pół miliarda lat temu. „W tym okresie, choćby przy wysokim poziomie produkcji tlenu, poziom ozonu w atmosferze mógł być bardzo niski i prawdopodobnie był niestabilny, co prowadziło do okresowych lub utrzymujących się wysokich strumieni promieniowania UVR ze Słońca na powierzchni Ziemi” – powiedział Liu.
Dalton Hardisty z Michigan State University, James Kasting z Pennsylvania State University i Mojtaba Fakhraee z Yale są współautorami badania.
