Oxigén – Éltető éleny
A számunkra nélkülözhetetlen oxigén (nyelújításkori Magyar nevén: éleny) jelentős részben a fotoszintetizáló élőlények anyagcseréjének mellékterméke. A növények, algák és cianobaktériumok a napfény energiájával vizet és szén-dioxidot alakítanak szerves anyaggá, miközben oxigént bocsátanak ki. Vagyis kissé pimaszul, de nagyon emlékezetesen mondva: a fotoszintetizáló élőlények telepukizzák a légkört oxigénnel. Ez a mondat ugyan nem tankönyvi stílusú, de a lényeget elég pontosan megragadja: a levegő éltető oxigénje biológiai eredetű hulladéktermékből lett a földi állati élet egyik alapfeltétele.
A vízbontás forradalma
Az oxigénes
fotoszintézis a Föld történetének egyik legnagyobb biokémiai találmánya volt. A
korábbi fotoszintetizáló baktériumok még nem vizet használtak
elektronforrásként, ezért oxigént sem termeltek. A cianobaktériumok viszont
képessé váltak arra, hogy a vízből vonjanak el elektronokat. Ez óriási
evolúciós lépés volt, mert a víz a Föld felszínén bőségesen rendelkezésre állt,
a folyamat melléktermékeként pedig molekuláris oxigén szabadult fel.
Sánchez-Baracaldo (2020) áttekintése szerint az oxigénes fotoszintézis korai
formái már az archaikumban jelen lehettek, sőt a II. fotokémiai rendszer evolúciójára
vonatkozó adatok alapján a folyamat akár 3 milliárd évvel ezelőttre is
visszanyúlhatott. Ez azt jelenti, hogy az oxigéntermelés valószínűleg jóval
korábban elkezdődött, mint ahogy a légkörben nagy mennyiségben felhalmozódott.
A nagy oxidációs esemény
A Föld légköre kezdetben
nem hasonlított a maira. A szabad oxigén sokáig csak nyomokban volt jelen, mert
amit a mikroorganizmusok megtermeltek, azt azonnal „elnyelték” a redukált
ásványok, vulkáni gázok, oldott vasvegyületek és más oxigénfogyasztó anyagok. A
nagy fordulat körülbelül 2,4 milliárd éve következett be: ezt nevezzük nagy
oxidációs eseménynek. Ekkor a légköri oxigén mennyisége tartósan emelkedni
kezdett, ami alapjaiban változtatta meg a Föld kémiáját, éghajlatát és
élővilágát. Schirrmeister et al. (2015) szerint a cianobaktériumok
diverzifikációja és a többsejtű formák megjelenése összefügghetett ezzel a
bolygóléptékű átalakulással. Az oxigén tehát nem egyszerűen „megjelent” a
légkörben: hosszú biológiai termelés és geokémiai ellenállás után tudott csak
felhalmozódni.
Az oxigén mint méreg és lehetőség
Ma az oxigént az élet szinonimájának érezzük, de az első oxigéntermelő élőlények számára ez még nem ilyen egyszerű történet volt. Az oxigén erősen reakcióképes molekula, amely károsíthatja a sejteket, a fehérjéket, a membránokat és az örökítőanyagot. A korai anaerob élővilág sok tagja számára az oxigén valóságos méreg lehetett. Ugyanakkor éppen ez a reakciókészség tette lehetővé az aerob légzést, amely sokkal hatékonyabban szabadít fel energiát a szerves anyagokból, mint az oxigén nélküli anyagcsereutak. Az oxigén tehát először válságot okozott, később azonban új evolúciós lehetőségeket nyitott: nagyobb sejtek, összetettebb szervezetek, aktívabb állatok és végső soron az emberi élet is erre az energiabőségre épült.
Nemcsak a fák termelik az oxigént
A hétköznapi gondolkodás
gyakran úgy képzeli, hogy az oxigént „a fák adják”. Ez részben igaz, de így
túlságosan leegyszerűsítő. A mai Földön a szárazföldi növényzet és az óceáni
fitoplankton egyaránt hatalmas mennyiségű szerves anyagot termel. Field et al.
(1998) globális becslése szerint a szárazföldi és tengeri primer produkció
nagyságrendileg hasonló: a Nap energiáját nemcsak az erdők, gyepek és
szántóföldek alakítják élő anyaggá, hanem az óceánok mikroszkopikus algái és
cianobaktériumai is. A tengeri pikocianobaktériumok, köztük a proklorokokkuszok
(Prochlorococcus spp.) és
szinekokokkuszok (Synechococcus
spp.) óriási egyedszámban élnek a világóceánokban, és jelentős részt vállalnak
a tengeri primer produkcióból (Flombaum et al. 2013).
Miért nem fogy el az oxigén éjszaka?
A fotoszintézis nappal
oxigént termel, a légzés és a lebomlás viszont oxigént fogyaszt. Éjszaka a
növények sem fotoszintetizálnak, hanem lélegeznek, vagyis oxigént használnak
fel és szén-dioxidot bocsátanak ki. Ettől még nem kell attól tartanunk, hogy
hajnalra elfogy az oxigén: a légkör oxigénkészlete hatalmas, és a napi
ingadozások ehhez képest elenyészők. Ráadásul egy egészséges ökoszisztémában a
fotoszintézis és a légzés rövid távon nagyrészt kiegyenlíti egymást. Ez fontos
pontosítás: egy erdő nem úgy működik, mint egy oxigéngyár, amely minden
megtermelt oxigént örökre a légkörben hagy. Az erdőben a fák, állatok, gombák,
baktériumok és a lebomló avar együtt lélegeznek.
A tartós oxigéntöbblet titka: az eltemetett szén
A légköri oxigén hosszú
távú felhalmozódásának kulcsa nem pusztán az, hogy van fotoszintézis, hanem az,
hogy a megtermelt szerves anyag egy része nem bomlik le azonnal, hanem
eltemetődik üledékekben, tőzegben, mocsarakban, tengeri aljzatokon vagy később
kőszéntelepekben. Ha a szerves szén teljes egészében visszaoxidálódna
szén-dioxiddá, akkor az általa termelt oxigén is elfogyna. Berner (2006) és a
későbbi földtörténeti oxigénmodellek ezért az oxigénszintet a szén- és kénciklus
hosszú távú egyensúlyaként értelmezik. Egyszerűen mondva: a légköri oxigén egy
része annak emléke, hogy valamikor növényi, algás vagy mikrobiális eredetű
szerves anyag menekült meg a lebontástól, és bekerült a földkéreg archívumába.
Amikor a szárazföld kizöldült
A szárazföldi növények
megjelenése új fejezetet nyitott az oxigén történetében. Az első szárazföldi
növények mintegy 470 millió éve jelentek meg, és fokozatosan átalakították a
kontinensek felszínét: talajt képeztek, gyorsították a kőzetek mállását,
befolyásolták a foszfor- és szénkörforgalmat, valamint növelték a szerves szén
eltemetődésének lehetőségét. Lenton et al. (2016) modellje szerint a korai
szárazföldi növények jelentős szerepet játszhattak abban, hogy a légköri oxigén
a paleozoikum során a maihoz közeli szintre emelkedett. A későbbi erdők,
különösen a karbon időszak hatalmas mocsárerdei, tovább erősítették ezt a
folyamatot: a növényi biomassza egy részéből tőzeg, majd kőszén lett, a vele
egyensúlyban keletkezett oxigén pedig a légkörben maradhatott.
Az oxigén és a tűz
A légköri oxigén nemcsak
az állati légzést tette lehetővé, hanem a tüzet is. Oxigén nélkül nincs égés,
nincs parázs, nincs főzés, nincs fémmegmunkálás, nincs kerámiaégetés, nincs
ipari civilizáció. Ez különös visszacsatolás: a fotoszintetizáló élet termelte
meg azt a légköri feltételt, amely később lehetővé tette az ember egyik
legfontosabb technológiáját, a tűz használatát. A túl sok oxigén azonban
veszélyes is lenne, mert növelné a gyulladékonyságot; a túl kevés oxigén pedig
ellehetetlenítené a nagy testű állatok és az ember légzését. A légkör mai
körülbelül 21%-os oxigéntartalma ezért nem magától értetődő adottság, hanem
hosszú földtörténeti szabályozás eredménye.
Éltető éleny, törékeny egyensúly
Az oxigén története
józanító lecke az ember számára. A levegő, amelyet belélegzünk, nem puszta
fizikai háttér, hanem több milliárd év biológiai és geokémiai munkájának
eredménye. Cianobaktériumok, algák, mohák, harasztok, nyitvatermők és
zárvatermők sokasága járult hozzá ahhoz, hogy a Föld légköre olyan legyen,
amilyen. A növények ma sem egyszerűen „díszítik” a bolygót: a szénkörforgalom,
a vízkörforgalom, a talajképződés, a táplálékhálózatok és az oxigénciklus aktív
szereplői. Ha ezt megértjük, az oxigén többé nem láthatatlan semmi lesz, hanem
a zöld világ egyik legnagyobb adománya.
Irodalom
Berner R. A. (2006): GEOCARBSULF: A combined
model for Phanerozoic atmospheric O₂ and CO₂. – Geochimica et Cosmochimica
Acta, 70(23): 5653–5664. https://doi.org/10.1016/j.gca.2005.11.032
Falkowski P. G., Fenchel T. & Delong E. F.
(2008): The microbial engines that drive Earth’s biogeochemical cycles. –
Science, 320(5879): 1034–1039. https://doi.org/10.1126/science.1153213
Field C. B., Behrenfeld M. J., Randerson J. T.
& Falkowski P. (1998): Primary production of the biosphere: integrating
terrestrial and oceanic components. – Science, 281(5374): 237–240. https://doi.org/10.1126/science.281.5374.237
Flombaum P., Gallegos J. L., Gordillo R. A.,
Rincón J., Zabala L. L., Jiao N., Karl D. M., Li W. K. W., Lomas M. W.,
Veneziano D., Vera C. S., Vrugt J. A. & Martiny A. C. (2013): Present and
future global distributions of the marine Cyanobacteria Prochlorococcus and
Synechococcus. – Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(24):
9824–9829. https://doi.org/10.1073/pnas.1307701110
Lenton T. M., Dahl T. W., Daines S. J., Mills B.
J. W., Ozaki K., Saltzman M. R. & Porada P. (2016): Earliest land plants
created modern levels of atmospheric oxygen. – Proceedings of the National
Academy of Sciences, 113(35): 9704–9709. https://doi.org/10.1073/pnas.1604787113
Laws B. (2012): Ötven növény, amely
megváltoztatta a történelmet. – Kossuth Kiadó, Budapest, 224 pp. Fordította és
magyar vonatkozásokkal kiegészítette: Molnár V. Attila & Papp Mária.
Mills B. J. W., Krause A. J., Scotese C. R.,
Hill D. J., Shields G. A. & Lenton T. M. (2023): Evolution of atmospheric
O₂ through the Phanerozoic, revisited. – Annual Review of Earth and Planetary
Sciences, 51: 253–276. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-032320-095425
Sánchez-Baracaldo P. (2020): On the origin of
oxygenic photosynthesis and Cyanobacteria. – New Phytologist, 225(4):
1440–1446. https://doi.org/10.1111/nph.16249
Schirrmeister B. E., Gugger M. & Donoghue P. C. J. (2015): Cyanobacteria
and the Great Oxidation Event: evidence from genes and fossils. –
Palaeontology, 58(5): 769–785. https://doi.org/10.1111/pala.12178
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése