KAPITOLA 5

Kritick� pohled na �daje o slo�en� d�vn� Zem� a jej�

atmosf�ry

V posledn�ch desetilet�ch vzrostlo zna�nou m�rou mno�stv� poznatk� o d�vn� Zemi, kter� vytv��ej� velmi d�le�it� z�sadn� pohled na teorie chemick� evoluce. V t�to kapitole se budeme zab�vat t�emi d�le�it�mi ot�zkami. Nejprve vytvo��me �asov� r�mec, neboli zjist�me po jakou dobu mohla prob�hat chemick� evoluce. D�le p�ezkoum�me chemick� slo�en� atmosf�ry prebiotick� Zem�, abychom ur�ili, zda bylo vhodn� pro abiogenezi. Za t�et� pro�et��me d�le�itou ot�zku p��tomnosti kysl�ku na d�vn� Zemi a v jej� atmosf��e. Zji�t�n� pravd�podobn�ch atmosf�rick�ch podm�nek pom��e ur�it v�choz� podm�nky pro dal�� generaci prebiotick�ch modelov�ch experiment�. Mnoh� pokusy, popsan� v kapitole 3, jsou zalo�eny na p�edpokladu siln� redukuj�c�ch podm�nek na prebiotick� Zemi a v jej� atmosf��e.

Vytvo�en� �asov�ho r�mce

Jedna z nejdramati�t�j��ch zm�n, kter� od �edes�t�ch let zas�hly evolu�n� teorii, spo��vala v pochopen�, jak kr�tk� je doba, po kterou mohly prob�hat abiogenn� synt�zy. Richard E. Dickerson prohl�sil: "Nejn�padn�j��m rysem evoluce �ivota na Zemi je, �e prob�hla tak rychle."1 Cyril Ponnamperuma z univerzity v Marylandu a Carl Woese z univerzity v Illinois p�edpokl�daj�, �e �ivot m��e b�t stejn� star� jako Zem� a �e se doba jeho vzniku mo�n� shoduje se zrodem na�� planety.2 V t�to ��sti prozkoum�me �daje, kter� podporuj� toto tvrzen�.

Pomoc� radiometrick�ch metod bylo odhadnuto st��� kamenn�ch meteorit� na 4,6 miliardy let.3 Pokud se Slunce, planety, meteority a jin� �lomky Slunce vytvo�ily z t�ho� primordi�ln�ho oblaku prachu zhruba ve stejnou dobu, byla by Zem� star� p�ibli�n� 4,6 miliardy let. V informac�ch o Zemi existuje obrovsk� mezera, kter� pokr�v� dobu od jej�ho vzniku p�es obdob� prekambria a� do doby p�ed asi 0,6 miliardami let.4 Pr�v� do t�to mezery spadaj� �daje o chemick� evoluci.5 A� do konce �edes�t�ch let byl za nejstar�� d�kaz �ivota pova�ov�n v�skyt zkamen�l�ch stromatolit� (fotosyntetizuj�c� �asy) ve 2,7 miliardy let star�ch v�penc�ch v ji�n� Rhodesii.6 Koncem �edes�t�ch let v�ak n�kolik v�dc� p�i zkoum�n� velmi star�ch hornin (3,2 miliardy let) nalezlo molekul�rn� fosilie a mikrofosilie, tedy d�kaz sv�d��c� o minul�m �ivot�.

Molekul�rn� fosilie

Molekul�rn� fosilie (neboli chemick� fosilie) jsou chemick� slou�eniny nalezen� v hornin�ch, o nich� se soud�, �e to jsou poz�statky kdysi �iv� hmoty. Chemick� l�tky, kter� mohou b�t d�kazem �ivota, jsou velmi r�znorod�. Existuj� v�ak dv� mo�nosti, jak prok�zat spojitost mezi nalezen�mi slou�eninami a �iv�mi organismy:

1. Tyto slou�eniny mohou b�t produkty odbour�v�n� chemick�ch l�tek nach�zej�c�ch se v �iv�ch organismech. Isoprenoidy, nap�. pristan a fytan, jsou pova�ov�ny za produkty �t�pen� chlorofylu. Isoprenoidy nalezen� ve star�ch hornin�ch mohou b�t tedy pam�tkou na �iv� organismy. Ve velmi star�ch hornin�ch lze nal�zt i mnoho jin�ch chemick�ch l�tek, kter� maj� vztah k �iv�m organism�m, jako jsou porfyriny a deriv�ty steranu.

2. Metabolizmus �iv�ch organism� v�dy selektivn� up�ednost�uje izotop uhl�ku 12C p�ed 13C. Zv��en� pom�r 12C ku 13C v chemick�ch l�tk�ch m��e tedy ukazovat na vztah k �ivotn�m proces�m.

Mikrofosilie

Mikrofosilie mohou tak� sv�d�it o minul�m �ivot�. Mikrofosilie jsou mikroskopick� otisky, nal�zan� v hornin�ch, kter� vypov�daj� o minul�ch form�ch �ivota. Obvykle se jedn� o velmi jednoduch�, �as�m podobn�, kulovit� �i vl�knit� �tvary, nalezen� v hornin�ch bohat�ch na uhl�k. Byli bychom r�di, kdyby krom� jejich morfologick�ch charakteristik z�stal zachov�n pro na�e zkoum�n� i n�jak� detail. To se v�ak stane jen v�jime�n�. P�esto se n�sledkem chemick� anal�zy a mikroskopick�ho zkoum�n� velmi star�ch hornin bohat�ch na organick� l�tky m�n� cel� pohled na z�klady chemick� evoluce.* P�ed nalezen�m mikrofosili� a molekul�rn�ch fosili� se v�t�ina v�dc� domn�vala, �e chemick� evoluce prob�hala 2 miliardy let.

* Jedn� se v�ak o velmi choulostiv� probl�m, proto�e n�kdy m��e doj�t k z�m�n� anorganick�ho materi�lu za mikrofosilie (E.L. Merek, 1973. Bio.Science 23, 153; N. Henbest, 1981.New Scientist 92, 164)

D�kazy

Od �edes�t�ch let byly nalezeny n�sleduj�c� d�kazy podporuj�c� my�lenku, �e se �ivot na Zemi objevil brzy po jej�m vzniku:

1. 1967: Mikropaleontologick� studie uhl�k obsahuj�c�ho rohovce z "Fig Tree Series" v ji�n� Africe (st��� v�ce ne� 3,1 miliardy let) prok�zala p��tomnost kulovit�ch mikrosf�r. Schopnost fotosynt�zy byla u t�chto primitivn�ch mikroorganism� prok�z�na geoorganickou anal�zou a anal�zou izotop� uhl�ku.7

2. 1977: Shluk organick�ch mikrostruktur opat�en�ch st�nami, kter� poch�zely ze svazijsk� plo�iny z ji�n� Afriky, byl identifikov�n jako poz�statek primitivn�ch prokaryot. Horniny byly star� 3,4 miliardy let.8

3. 1979: Bu�k�m podobn� inkluze v k�emi�it�ch vrstv�ch kvarcitu, kter� je sou��st� "Isua series" v jihoz�padn�m Gr�nsku, byly slo�eny z biologick�ch materi�l�. P��tomn� uhlovod�ky se vyzna�ovaly vysok�m pom�rem mezi izotopy C12 a C13. St��� bylo p�ibli�n� 3,8 miliardy let.9

4. 1980: V�dci nalezli v hornin�ch v oblasti "North Pole" v Austr�lii objekty podobn� bu�k�m. Sk�ly byly star� 3,5 miliardy let. Je�t� v�ce ohromila skute�nost, �e mezi nimi bylo mo�n� rozli�it p�t r�zn�ch druh� bun�k. "To dokazuje, �e �ivot byl r�znorod�, hojn� a z chemick�ho hlediska skute�n� pokro�il�."10

5. 1980: V �elezit�m dolomitick�m rohovci z "Pilbara Block" v z�padn� Austr�lii se zachovala zkamen�l� vrstva vl�knit�ch mikroorganism� naz�van�ch stromatolity. Jejich st��� bylo odhadnuto na 3,4 a� 3,5 miliardy let.11

A� do ned�vna byly "kvasink�m podobn� mikrofosilie" poch�zej�c� z oblasti Isua v jihoz�padn�m Gr�nsku pova�ov�ny za d�kaz existence �iv�ch struktur. N�kte�� badatel� v�ak nyn� zpochyb�uj� tuto interpretaci12 a nazna�uj�, �e se nejedn� o zbytky prahorn�ch �iv�ch forem. Proto jsou australsk� depozity star� 3,5 miliardy let pova�ov�ny v sou�asn� dob� za nejstar�� sedimenty obsahuj�c� p�esv�d�iv� d�kazy biologick� �innosti. P�esto mnoho v�dc� v���, �e �ivot existoval p�ed v�ce ne� 3,8 miliardami let.

Doba trv�n� evoluce

Brooks a Shaw tvrd�, �e nejstar�� horniny na Zemi jsou star� pravd�podobn� 3,98 miliardy let.13 Nejv�t�� st���, potvrzen� pomoc� izotopov� techniky u hornin z oblasti Isua v Gr�nsku, bylo v�ak 3,8 miliardy let.* V ka�d�m p��pad� je mo�no t�m�� s ur�itost� tvrdit, i kdy� to m��e zn�t p�ekvapiv�, �e �ivot byl na Zemi prakticky od po��tku jej� existence. P�ed 3,98 miliardami let (od 4,6 do 3,98 miliard let) byla Zem� pravd�podobn� p��li� hork�, ne� aby na n� mohl b�t �ivot.14 Podle toho by se �ivot objevil zhruba p�ed 3,81 miliardami let. To znamen�, �e jen 170 milion� let se mohl �ivot formovat abiotickou cestou. Podle Brookse a Shawa je tato doba "p��li� kr�tk�"15 pro abiogenn� synt�zy nezbytn�ch prekurzor�, nato� pro chemickou evoluci. Objev mikrofosili�, kter� potvrdil tento z�v�r, byl jedn�m z d�vod� dramatick� zm�ny ve v�deck�m my�len�, zd�razn�n� Millerem: "Neudivilo by m�, kdyby �ivot vznikl b�hem pouh�ch 106 let (0,001 miliardy)."16 Jin� v�dci se domn�vaj�, �e se jedn� o obdob� 107 a� 108 let nebo m�n� pot�, co Zem� zchladla. Nap�.: "Jestli�e byl zemsk� povrch hork� je�t� p�ed 4 miliardami let, vznikl �ivot pravd�podobn� zhruba p�ed 3,9 miliardami let."17 V�zkum se nyn� soust�e�uje na mechanismy kter� by vysv�tlily tento "geologicky okam�it�" vznik �ivota.

* Ned�vno bylo stanoveno st��� zirkonu z oblasti australsk�ho Shieldu na 4,2 miliardy let. Chem.Eng.News, 22.dubna 1983, str.20; Science News, 18.�ervna 1983, str.389.

Slo�en� prebiotick� zemsk� atmosf�ry

V posledn�ch letech byla pomoc� vesm�rn�ch sond zkoum�na atmosf�ra n�kolika planet slune�n� soustavy. V�zkum se t�kal t�chto planet:

1. Mars (sondy Viking)
2. Venu�e (sondy Pioneer a Venera)
3. Jupiter (sondy Voyager)
4. Saturn (sondy Voyager)

Z�skan� informace vedly k p�ehodnocen� v�deck�ch teori� t�kaj�c�ch se vzniku planet a jejich atmosf�ry. Nap�. v�sledky m��en� koncentrace argonu a neonu na Venu�i proveden� sondou Pioneer ot��sly p�edstavami o vytvo�en� sou�asn� atmosf�ry. James B. Polock z Amesova v�zkumn�ho centra (NASA) navrhl t�i logick� mo�nosti:18

1. Hypot�za prim�rn� atmosf�ry

Plyny sou�asn� atmosf�ry by mohly b�t poz�statky p�edslune�n� mlhoviny. Pokud by tomu tak bylo, byl by pom�r mezi zastoupen�m argonu a neonu na Venu�i, Zemi a Marsu velmi podobn� jejich p�vodn�mu pom�ru v mlhovin� a jejich sou�asn�mu zastoupen� na slunci. Jejich zastoupen� v atmosf�r�ch uveden�ch planet je ale zcela odli�n� od jejich zastoupen� na slunci.

2. Hypot�za vn�j��ho zdroje

Plyny mohly b�t p�ineseny kometami a asteroidy bohat�mi na t�kav� l�tky v �dob� po v�skytu meteorick�ho roje T-taurid�, kdy planety na sebe strh�valy posledn� ��sti hmoty p��tomn� ve slune�n�m syst�mu. Komety a asteroidy musely dopadat na v�echny vnit�n� planety p�ibli�n� ve stejn�m mno�stv�; proto o�ek�v�me, �e by planety m�ly obsahovat podobnou koncentraci vz�cn�ch plyn�. Ve skute�nosti tomu tak ale nen�.

3. Hypot�za sr�st�n� zrn

Sou�asn� pozemsk� atmosf�ra mohla vzniknout uvoln�n�m plyn� zachycen�ch v puklin�ch p�vodn�ch hornin.

Podle Pollocka je tato posledn� hypot�za jedinou, kter� neodporuje na��m poznatk�m. Ozna�en� "sr�st�n� zrn" (grain accretion) je pou�ito, proto�e zrna materi�lu, kter� obsahoval t�kav� l�tky, se shlukovala do mal�ch t�les (planetesim�l), kter� dal��m shlukov�n�m vytvo�ila planety.19 Pozd�ji se t�kav� l�tky dostaly v d�sledku vnit�n�ho oh�evu na povrch. P�vodn� zemskou atmosf�ru gravita�n� pole postupn� rostouc� planety neudr�elo. Zemsk� prebiotick� atmosf�ra byla tedy ve skute�nosti sekund�rn� a vznikla z plyn�, kter� vystupovaly z vnit�ku Zem� sope�n�mi kr�tery nebo difundovaly pl�t�m zemsk�ho j�dra. Tato teorie sekund�rn� atmosf�ry byla v pr�b�hu v�ce ne� deseti let nejuzn�van�j�� teori�, a udr�ela se i po z�sk�n� informac� z Venu�e, Marsu a jin�ch planet.

P�esto�e byl tento model obecn� uzn�v�n, objevily se n�vrhy i jin�ch zdroj� plyn�. Nap�. neon zemsk� atmosf�ry mohl do zna�n� m�ry poch�zet z oblak� mezihv�zdn� hmoty.20 Dal��m zdrojem plyn� mohly b�t komety.21 Oro odhadl, �e slo�en� zemsk� atmosf�ry mohlo ovlivnit asi 1 000 meteorit�.22

R�zn� modely prebiotick� zemsk� atmosf�ry

Na rozd�l od obecn�ho p�ijet� modelu tvorby atmosf�ry uvol�ov�n�m plyn� z hornin se n�zory na slo�en� atmosf�ry b�hem let zna�n� m�nily. Uv�d�me p��klady slo�en� atmosf�ry, kter� byly navr�eny b�hem posledn�ch t�iceti let.

CO2-H2O atmosf�ra. Za p�edpokladu, �e by sope�n� exhalace m�ly na prebiotick� Zemi stejn� slo�en� jako nyn�, obsahovala by prebiotick� atmosf�ra oxid uhli�it�, vodn� p�ru a men�� mno�stv� H2S, SO2 a N2. Tento n�zor vyslovili Fox a Dose,23 Revelle, 24 Abelson25 a Brooks se Shawem.26

CH4-NH3-H2O atmosf�ra. Opa�n� n�zor zast�vali Oparin,27 Urey,28 a Miller a Urey29. Tito v�dci se domn�vali, �e z doby utv��en� Zem� se v atmosf��e uchovalo mal�, ale d�le�it� mno�stv� vod�ku. Jeho parci�ln� tlak byl nejm�n� 10-3 atm (v sou�asn� atmosf��e je asi 10-6 atm). Vod�k by reagoval s uhl�kem, dus�kem nebo kysl�kem, ��m� by se vytv��ela atmosf�ra bohat� na metan (CH4), amoniak (NH3) a vodu (H2O).

P��znivci p�edchoz�ho n�zoru samoz�ejm� s t�mto z�v�rem nesouhlasili a tvrdili, �e mno�stv� atmosf�rick�ho vod�ku bylo bezv�znamn� a �e neexistuj� ��dn� geologick� d�kazy existence metanu v prebiotick� atmosf��e.30

T�i stadia ve v�voji atmosf�ry. T�et� n�zor, zast�van� Hollandem,31 vznikl ve skute�nosti synt�zou prv�ch dvou. Holland nesouhlasil se z�kladn�m p�edpokladem prvn� teorie, nebo� prohl�sil, �e se sm�s sope�n�ch plyn� prebiotick� Zem� nepodobala sv�m slo�en�m soudob�m sope�n�m exhalac�m. Sv� tvrzen� zalo�il na hypot�ze, podle n� byly prebiotick� sope�n� exhalace, na rozd�l od sou�asn�ch sope�n�ch plyn�, v rovnov�ze s horkou tekutou horninou obsahuj�c� velk� mno�stv� element�rn�ho �eleza. D�sledkem toho byla atmosf�ra v prvn�m stadiu bohat� na metan (CH4) a v bezprost�edn� n�sleduj�c�m druh�m stadiu bohat� na dus�k (N2). Sou�asn� atmosf�ra p�edstavuje t�et� stadium.

CO2-N2 atmosf�ra. Walker32 uskute�nil rozs�hl� v�zkum v�voje atmosf�ry, z n�ho� vypl�v�, �e prebiotick� atmosf�ra obsahovala H2O, CO2, N2 a 1 % H2. Sope�n� p�vod 1 % H2 vedl Walkera k p�esv�d�en�, �e sope�n� plyny obsahovaly tehdy v�ce vod�ku ne� dnes. Velk� mno�stv� uvoln�n�ho CO2 tvo�ilo uhli�itany, kter� se hromadily v oce�nu p�i kondenzaci velk�ch objem� vody.

Podle tohoto n�zoru neobsahovala prebiotick� atmosf�ra mnoho redukuj�c�ch plyn�, jako je metan nebo amoniak.33 Siln� redukuj�c� atmosf�ra, slo�en� z metanu a amoniaku mohla, jak nazna�uj� soudob� fotochemick� �vahy, existovat jen velice kr�tkou dobu, pokud takov� prebiologick� atmosf�ra v�bec existovala.34 Z�v�r, �e prebiologick� atmosf�ra obsahovala jen mal� nebo v�bec ��dn� mno�stv� metanu a amoniaku, si z�skal Holland�v souhlas.35

P�edstava, podle n� nebyla prebiotick� atmosf�ra siln� redukuj�c�, p�edstavuje dramatickou zm�nu vzhledem k p�edchoz� p�ij�man� hypot�ze. Tento posun v teori�ch o slo�en� prebiotick� atmosf�ry vyvolal �adu koment��� a reakc�. Nap�.:

Nyn�, poprv� po t�iceti letech, se m�n� obecn� p�ij�man� p�edstava o primordi�ln� pol�vce, kter� se op�rala o atmosf�ru bohatou na vod�k, slo�enou p�edev��m z metanu (CH4) a amoniaku (NH3). Nov� hypot�za p�edpokl�d� atmosf�ru chudou na vod�k, kter� krom� toho, �e neobsahuje kysl�k, se podob� t� sou�asn�.36

��dn� z geologick�ch a geochemick�ch d�kaz� nashrom�d�n�ch v posledn�ch t�iceti letech nepodpo�il existenci siln� redukuj�c� prebiotick� atmosf�ry... My�lenku jej� existence podpo�ily pouze v�sledky laboratorn�ch pokus�.37

V�dci si musej� znovu promyslet n�kter� sv� p�edpoklady. Chemik�m vyhovovala star� p�edstava redukuj�c� atmosf�ry, kter� podporovala evolu�n� experimenty.38

Sherwood Chang z Amesova v�zkumn�ho centra (Ames Research Center) z NASA pozoroval, �e p�i modelov�ch pokusech s neutr�ln� atmosf�rou slo�enou z vody, dus�ku a oxidu uhli�it�ho vznikaj� pouze chemick� slou�eninu typu amoniaku a kyseliny dusi�n�.39 Joseph Pinto z Goddardova �stavu pro v�zkum vesm�ru (Goddard Institute for Space Studies) v�ak syntetizoval formaldehyd v prebiotick� atmosf��e chud� na vod�k.40 I p�i dal��ch modelov�ch pokusech s atmosf�rou chudou na vod�k vznikaly abiotick� organick� slou�eniny.41 V roce 1951 uve�ejnil Melvin Calvin z Kalifornsk� university v Berkeley zpr�vu o synt�ze organick�ch slou�enin bombardov�n�m sm�si vody a oxidu uhli�it�ho alfa ��sticemi.42

Obsah kysl�ku na d�vn� Zemi a v jej� atmosf��e

V�echny modely vylu�uj� p��tomnost kysl�ku

Existuje mno�stv� r�zn�ch model� prebiotick� atmosf�ry. Ka�d� v�dec pou��v� jeden z t�chto model�, aby prok�zal, �e chemick� stavebn� kameny �ivota mohly b�t vytvo�eny za zvolen�ch podm�nek. Z experiment�ln�ch prac� vych�z� najevo zaj�mav� a do ur�it� m�ry p�ekvapiv� poznatek, �e synt�za aminokyselin a dal��ch nezbytn�ch organick�ch molekul je v ur�it�m rozsahu nez�visl� na specifick�ch detailech experiment�ln�ch podm�nek. Jak vypl�v� z kapitoly 3, a� u� jsou ve v�choz� atmosf��e jako zdroj uhl�ku a dus�ku pou�ity CH4 a NH3 nebo CO2 a N2, jsou v�sledkem podobn� produkty. Z tohoto d�vodu se zkoum�n� prebiotick� atmosf�ry, jakkoli fascinuj�c�, jev� jako podru�n�, s v�jimkou z�kladn�ho po�adavku, kter� stoj� v centru teorie chemick� evoluce, tj., �e prebiotick� atmosf�ra nemohla obsahovat ��dn�, ani nepatrn� mno�stv� voln�ho (molekul�rn�ho) kysl�ku (O2).

Vylou�en� kysl�ku je nezbytn� ze dvou d�vod�. Za prv� podl�haj� v�echny organick� slou�eniny (jako nap�. nezbytn� chemick� prekurzory nebo stavebn� kameny, kter� se musely nahromadit, aby mohla chemick� evoluce pokra�ovat) v p��tomnosti kysl�ku rychl�mu rozkladu. Za druh�, pokud by byl molekul�rn� kysl�k p��tomen i jen ve stopov�m mno�stv�, organick� molekuly by se nemohly v�bec tvo�it. Shklovskii a Sagan k tomu poznamenali: "Pokud se podm�nky laboratorn�ho pokusu zm�n� na oxiduj�c�, organick� synt�zy se skute�n� zastav�."43 V�echny modelov� pokusy zmi�ovan� v kapitole 3 jsou zna�nou m�rou inhibov�ny kysl�kem. ��dn� z �ivotn� nezbytn�ch molekul, nap�. aminokyselin, by se nemohla vyvo�it za oxiduj�c�ch podm�nek, a i kdyby k tomu n�jakou n�hodou do�lo, rychle by se rozlo�ila. Chemick� evoluce by byla neuskute�niteln�. K tomu se vyslovili tak� Fox a Dose,44 kte�� sestavili �est d�vod�, pro� primordi�ln� atmosf�ra nemohla obsahovat ��dn� v�znamn� mno�stv� kysl�ku. Dva z jejich d�vod� jsou pozoruhodn�: (1) "laboratorn� pokusy prokazuj�, �e chemick� evoluce... by byla zna�n� inhibov�na kysl�kem,"45 a (2) "organick� slou�eniny, kter�... se b�hem chemick� evoluce hromadily na zemsk�m povrchu, by nez�staly v pr�b�hu geologicky p�ijateln� doby stabiln�."46

Fox a Dose zast�vali p�esv�d�en�, �e se chemick� evoluce uskute�nila, a p�edkl�daj� uveden� d�vody spolu s ostatn�mi jako d�kaz redukuj�c� atmosf�ry. Tvrd�, �e jeliko� to chemick� evoluce vy�aduje, muselo b�t voln�ho kysl�ku v prebiotick� atmosf��e zanedbateln� mno�stv�.

Fox a Dose nejsou jedin�, kdo uva�uj� t�mto zp�sobem. Walker47 tak� usuzuje, �e "nejp�dn�j��m d�kazem" bezkysl�kat� atmosf�ry je s�m fakt, �e chemick� evoluce prob�hla. Tato �vaha je sice dostate�n� pro vytvo�en� hypot�zy, nen� v�ak dostate�n� jako d�kaz jej� pravdivosti.

Nebudeme p�ihl�et k tomuto "nejp�dn�j��mu" d�kazu bezkysl�kat� (bez voln�ho kysl�ku) atmosf�ry, proto�e je zalo�en na d�kazu v kruhu. Takov�to logika je st�� v�deck� a jednodu�e pova�uje za pravdivou hypot�zu, kterou teprve vytv���. Zkontrolujme tedy d�kazy o obsahu kysl�ku v atmosf��e d�vn� Zem� bez toho, �e bychom p�edem p�edpokl�dali redukuj�c� atmosf�ru. Nejprve vezmeme v �vahu zdroje kysl�ku, a pak p�ezkoum�me mineralogick� d�kazy poch�zej�c� z �dob�, kdy byl kysl�k sou��st� atmosf�ry. Tak m��eme ur�it, kdy a jak dlouho byla zemsk� atmosf�ra bez kysl�ku.

Zdroje voln�ho kysl�ku pro zemskou atmosf�ru

Existuj� nejm�n� t�i mo�n� zdroje voln�ho kysl�ku v atmosf��e d�vn� Zem�: sope�n� exhalace (a komety / meteority), fotodisociace vody a fotosynt�za, kter� je spojena s �iv�mi organismy. Uva�ujme ka�d� z t�chto zdroj� vzhledem k mno�stv� kysl�ku, jak� produkuje, a vzhledem k jeho pravd�podobn� existenci b�hem geologick� historie.

Sope�n� exhalace jako mo�n� zdroj voln�ho kysl�ku. Ji� d��ve se p�edpokl�dalo, �e zemsk� atmosf�ra vznikla n�sledkem sope�n�ch erupc�, p�i nich� se uvol�ovaly r�zn� plyny. Mohl mezi nimi b�t i voln� kysl�k (O2). Plyny, doprov�zej�c� v sou�asnosti sope�n� erupce, obsahuj� zejm�na CO2, H2O a mal� mno�stv� H2S, SO2 a N2, ale ��dn� voln� kysl�k. Vezmeme-li v �vahu vysokou teplotu v sopk�ch a zna�nou reaktivitu kysl�ku, nem��e n�s tato skute�nost udivit. P�i zv��en�ch teplot�ch (600-800oC) by kysl�k reagoval s miner�ln�mi l�tkami v zemi a v�sledkem by byla neoxiduj�c� sm�s plyn�. P�edstava, �e tehdej�� sope�n� emise mohly uvolnit do prebiotick� atmosf�ry jak�koliv podstatn� mno�stv� voln�ho kysl�ku, je tedy zna�n� diskutabiln�.48

Fotodisociace vody jako mo�n� zdroj voln�ho kysl�ku. Dal��m uva�ovan�m zdrojem voln�ho kysl�ku v d�vn� atmosf��e je fotodisociace vody v atmosf��e vlivem ultrafialov�ho z��en�:

2 H2O + (hn ) energie ultrafialov�ho sv�tla = 2 H2 + O2.

Odhady, proveden� od �edes�t�ch let, kter� se t�kaly mno�stv� voln�ho kysl�ku uvoln�n�ho do prebiotick� atmosf�ry fotodisociac� vody, se pohybuj� v rozmez� 10-15 - 0,25 PAL (present atmospheric level, tj. koncetrace kysl�ku vzta�en� k jeho koncentraci v sou�asn� atmosf��e). R�zn� odhady jsou uvedeny v tabulce 5-1 a stru�n� shrnuty v dal��m textu. Je u�ite�n� si uv�domit, �e v tabulce 5-1 je koncentrace kysl�ku vyj�d�ena dv�ma zp�soby, tj. PAL a MR (mixing ratio = relativn� zastoupen� kysl�ku v sou�asn� atmosf��e), a plat�, �e 1,0 PAL = 0,21 MR.

Bekner a Marshall49 provedli jako prvn� kvantitativn� odhad koncentrace kysl�ku v d�vn� atmosf��e poch�zej�c� z fotodisociace vodn� p�ry. Podle nich byla tato koncentrace 10-3 PAL.

Brinkmann50 po��tal mno�stv� O2 produkovan�ho fotodisociac� a spot�ebovan�ho p�i oxidaci hornin a dal��ch pochodech. Dosp�l k v�sledku, �e alespo� 25 % sou�asn� hladiny (0,25 PAL) kysl�ku existovalo b�hem 99 % geologick�ho �asu. V d�sledku toho usuzoval: "Nezd� se, �e by chemick� evoluce mohla prob�hat v takov� atmosf��e."51 Zast�nci neutr�ln� nebo redukuj�c� d�vn� atmosf�ry nesouhlasili s tak vysokou hladinou O2 vzniklou fotodisociac� H2O. Nap��klad Walker52 ozna�il Brinkmann�v p�edpokladu, �e rychlost �niku vod�ku z atmosf�ry je rovna rychlosti fotol�zy vody, za chybn�. S�m v�ak mus� p�edpokl�dat, �e sope�n� zdroj vod�ku byl zna�n� v�t��, ne� mno�stv� vod�ku mizej�c�ho do prostoru po fotol�ze vody. Z tohoto d�vodu by musely b�t v d�vn� minulosti sope�n� zdroje plyn� mnohem v�t�� ne� dnes. Van Valen53 m�l tak� n�mitky proti Brinkmannov� studii, ale nep�edlo�il alternativn� �e�en�, pouze uvedl, �e existuj� d�le�it� a dosud nevysv�tlen� probl�my t�kaj�c� se vytvo�en� kysl�ku v atmosf��e.

Vzhledem k z�sadn� d�le�itosti t�to ot�zky p�ezkoumal Caver54 mno�stv� kysl�ku uvoln�n�ho fotodisociac� b�hem prekambria; uva�oval p�i tom v�t�� zastoupen� vodn� p�ry v atmosf��e ne� p�edchoz� pr�ce. V�sledky jeho studie poukazuj� na teplej�� a mnohem vlh�� podneb� v prekambriu; koncentrace voln�ho kysl�ku mohla p�itom dos�hnout 10 % sou�asn� hladiny (0,1 PAL). Pokud byly v prekambriu rychlosti oxidac� p�i zemsk�m povrchu podstatn� v�t�� ne� dnes, byla hladina kysl�ku pravd�podobn� 0,01 - 0,1 PAL.

Holland55 konstatoval, �e n�kolik procent sou�asn� hladiny kysl�ku v atmosf��e bylo jist� p��tomno p�ed 2,9 x 109 lety. Jak je ale patrn� z tabulky 5-1, odhady spadaj� do p��li� �irok�ho rozp�t� hodnot, ne� aby bylo mo�n� vytvo�it kone�n� z�v�r. V tabulce 5-1 jsou pro dokreslen� zna�n� nejistoty kolem koncentrace kysl�ku uvedeny i dal�� odhady, o kter�ch se v textu nezmi�ujeme.56 Sou�asn� literatura se zab�v� jedinou p�edstavou a to, �e d�vn� atmosf�ra obsahovala mnohem v�ce kysl�ku, ne� si dosud kdokoliv p�edstavoval. D�le�it� pod�l na t�to p�edstav� maj� m��en�, kter� nazna�uj�, �e n�kolik milion� let star� hv�zdy podobaj�c� se slunci emituj� a� 104 kr�t v�ce UV z��en� ne� sou�asn� Slunce.57 Vlivem t�to v�t�� intensity UV by mohlo b�t zv��eno relativn� zastoupen� O2 p�i povrchu Zem� 104 a� 106kr�t nad standardn� hodnotu 10-15, co� by ovlivnilo v�echny odhady koncentrace kysl�ku.58

Vysok� odhad koncentrace O2 je podporov�n �daji z Apolla 16, kter� nazna�uj�, �e vlivem fotodisociace vodn� p�ry ve vrchn� vrstv� atmosf�ry vznik� velk� mno�stv� voln�ho kysl�ku. UV spektrografick� kamera z Apolla 16 odhalila masivn� mrak atom�rn�ho vod�ku obaluj�c�ho Zemi a sahaj�c�ho a� asi 65 000 km do prostoru. Tento vod�k poch�z� zjevn� z fotodisociace vodn� p�ry. Ve star�� zpr�v� t�kaj�c� se t�chto v�sledk� se uv�d�, �e z�skan� informace "poskytuj� pevnou podporu teorii, kter� za prim�rn� zdroj sou�asn�ho kysl�ku pova�uje �t�pen� vodn� p�ry vlivem slune�n�ho ultrafialov�ho z��en�" na rozd�l od obvykle p�edpokl�dan� fotosynt�zy.59

George Carruthers,60 hlavn� v�zkumn�k zodpov�dn� za spektrografickou kameru na Apollu 16, n�sledn� uvedl, �e mno�stv� kysl�ku uvoln�n�ho fotodisociac� bylo v prvn�ch zpr�v�ch nadsazeno. To znamen�, �e fotodisociace nebyla, jak bylo p�vodn� uv�d�no, prim�rn�m zdrojem kysl�ku. (V�ce detail� t�kaj�c�ch se v�sledk� m��en� Apollo 16 lze nal�zt ve zpr�v� Carrutherse a spol.)61 Carruthers souhlas� s ostatn�mi pracovn�ky, �e v sekund�rn� atmosf��e prebiotick� Zem� bylo p��tomno mal� mno�stv� voln�ho kysl�ku. Av�ak bez voln�ho kysl�ku (a tedy bez oz�nu) by mohlo slune�n� ultrafialov� z��en� pronikat do mnohem ni���ch na vodu bohat�ch vrstev atmosf�ry, ne� je tomu v sou�asnosti. Rychlost disociace vody by tedy mohla b�t mnohem v�t�� a rychlost tvorby kysl�ku by byla zna�n� vy��� ne� v sou�asnosti. Lze se tedy domn�vat, �e fotodisociace vodn� p�ry mohla zaji��ovat dostate�n� mno�stv� kysl�ku v prebiotick� atmosf��e (snad a� 1 % atmosf�ry neboli 0,05 PAL), tak�e se mohla vytvo�it oz�nov� vrstva. ��inn� oz�nov� clona by umo�nila, omezen�m nep��zniv�ho vlivu slune�n�ho UV z��en� pronikaj�c�ho k zemsk�mu povrchu, proliferaci �iv�ch organism�.

Pokud jde o destrukci organick�ch slou�enin kysl�kem, Carruthers uzn�v�, �e by prob�hala, ale ne tak rychle jako sou�asn� oxidace, proto�e kysl�k byl mnohem z�ed�n�j�� a nespolup�sobil p�i bakteri�ln�m rozkladu.62 Vezmeme-li ale v �vahu p�edpokl�danou dobu trv�n� chemick� evoluce, bylo by i mal� mno�stv� kysl�ku velmi �kodliv�. Jestli�e bylo p��tomno mal� mno�stv� kysl�ku, byly d�le�it� prekurzorov� molekuly velmi pravd�podobn� rozlo�eny (oxidov�ny) nebo byla jejich tvorba �pln� znemo�n�na.

�iv� organismy a organick� molekuly pot�ebuj� ochranu p�ed ultrafialov�m z��en�m, kterou jim poskytuje oz�nov� vrstva, ale p��tomnost kysl�ku zabra�uje v�voji takov�ch �iv�ch syst�m� a biologick�ch molekul. Tento cyklick� paradox je hlavn�m probl�mem p�i konstrukci modelu v�voje �ivota. Jak� mno�stv� kysl�ku je pot�eba k tvorb� oz�nov� vrstvy a jak� maxim�ln� mno�stv� kysl�ku m��e b�t tolerov�no p�i synt�ze molekul�rn�ch prekurzor� �ivota? T�mto dv�ma ot�zk�m se budeme d�le v�novat.

Berkner a Marshall63 byli mezi prvn�mi, kdo hodnotili vztah mezi O2 a O3 vzhledem k chemick� evoluci. P�edpokl�daj�, �e kdy� koncentrace O2 dos�hla 10-2 PAL, vznikl� koncentrace O3 byla dostate�n� velk�, aby zabr�nila pr�niku smrt�c�ho UV do vrchn� vrstvy oce�nu. Kdy� dos�hla hladina O2 10-1 PAL, koncentrace O3 byla dostate�n� k pohlcen� ve�ker�ho UV z��en� o vlnov� d�lce men�� ne� 300 nm. Za t�chto okolnost� bylo poprv� mo�n�, aby se �ivot p�em�stil z mo�e na pevninu. Po Berknerovi a Marshallovi zkoumali i jin� v�dci vznik a v�voj oz�nov� vrstvy.64

Byla vypracov�na hypot�za, �e k vytvo�en� biologicky ��inn� oz�nov� vrstvy je pot�eba velmi mal� koncentrace atmosf�rick�ho kysl�ku (asi 10-3 PAL). Vezmeme-li v�ak v �vahu n�kolik dal��ch faktor�, zd� se, �e bylo pot�eba 0,1 PAL kysl�ku. Carver65 p�i posuzov�n� dostupn�ch informac� dosp�l k z�v�ru, �e by se biologicky ��inn� oz�nov� vrstva vytvo�ila, jakmile by obsah kysl�ku p�es�hl 0,01 PAL.

Kr�tce �e�eno, v�voj oz�nov� vrstvy zjevn� vy�aduje vy��� koncentrace kysl�ku (0,01 a� 0,1 PAL), ne� byl p�vodn� p�edpoklad, tedy 10-3 PAL. Zda se tato koncentrace voln�ho kysl�ku vytvo�ila pouze fotodisociac� vody, nebo kombinovan�m p�soben�m fotodisociace a fotosynt�zy v �as�ch atd., je obt�n� zjistit. Nen� dosud zn�mo, jakou rychlost� je voln� kysl�k odstra�ov�n reakc� s redukuj�c�mi plyny, jako je metan, nebo miner�ly jako je Fe3O4. V ka�d�m p��pad� se zd� b�t z�ejm�, �e voln� kysl�k byl produkov�n fotodisociac� od d�vn�ch dob a �e tento zdroj voln�ho kysl�ku fungoval a� do vytvo�en� takov� koncentrace voln�ho kysl�ku, kter� umo�nila vytvo�en� oz�nov� vrstvy jako filtru kr�tkovlnn�ho ultrafialov�ho z��en� (<300 nm), ��m� byla produkce kysl�ku v atmosf��e pod oz�novou vrstvou fakticky zastavena.

Proto�e k utvo�en� ��inn� oz�nov� vrstvy je pot�eba jen n�zk� hladina kysl�ku, mohla kr�t tato vrstva Zemi je�t� p�ed po��tkem �ivota. Tento n�zor v�ak do t�to oblasti v�zkumu vn�� rozpory.

P�edstava �asn� oz�nov� vrstvy m� dva d�sledky:

1) nutnost postulovat jin� zdroje energie pro prebiotick� synt�zy organick�ch molekul ne� UV z��en� a

2) nutnost alternativn�ho sc�n��e, kter� by umo�nil pr�b�h synt�zy dostatku organick�ch molekul a jejich n�slednou ochranu v oxiduj�c�m prost�ed�.

�iv� organismy jako zdroj voln�ho kysl�ku. Proto�e sope�n� erupce nebyly z�ejm� zdrojem voln�ho atmosf�rick�ho kysl�ku a fotodisociace poskytovala voln� kysl�k jen do t� doby, ne� byla vytvo�ena oz�nov� vrstva (patrn� mezi 0,01 a 0,1 PAL kysl�ku), v�eobecn� se soud�, �e sou�asn�ch 21 % voln�ho atmosf�rick�ho kysl�ku bylo a je v�sledkem fotosynt�zy v �iv�ch rostlin�ch. Obvykle se p�edpokl�d�, �e tento p�echod z p�edpokl�dan�ch bezkysl�kat�ch podm�nek k sou�asn�m 21 % voln�ho kysl�ku prob�hl p�ed 1-2 miliardami let. Obr�zky 5-1 a 5-2 ilustruj� odhady n�kolika v�dc� t�kaj�c� se zvy�ov�n� koncentrace kysl�ku v �ase.

Sou�asn� paleontologick� d�kazy v�ak nazna�uj� existenci podstatn� v�ce oxiduj�c� atmosf�ry d��ve ne� p�ed 1-2 miliardami let. Na za��tku t�to kapitoly jsme hovo�ili o st��� prvn�ho �ivota na Zemi. N�kter� z t�chto �iv�ch forem z�ejm� produkovaly kysl�k, �rove� jeho tvorby v�ak st�le z�st�v� sporn�m bodem. Mezi prvn�mi organismy mohly b�t anaerobn� bakterie, a v tom p��pad� by atmosf�ra mohla b�t bezkysl�kat�. Walker66 odhaduje st��� prvn�ch autotrofn�ch organism� na 3,5 miliardy let, po��tek bakteri�ln� fotosynt�zy klade do doby p�ed 3 miliardami let a fotosynt�zu zelen�ch rostlin asi p�ed 2,5 miliardami let. Kysl�k produkuj�c� organismy (cyanobakterie / sinice) by tak jist� existovaly p�ed 2,8 x 109 lety a snad mnohem d��ve (mo�n� p�ed 2,9-3,1 miliardami let). Podle Schopfa67 vytv��ely tyto organismy prom�nlivou hladinu voln�ho kysl�ku. Nejprve byl kysl�k spot�ebov�v�n vlivem redukuj�c�ch miner�ln�ch l�tek (hlavn� �eleznat�ch slou�enin). Pak se mno�stv� kysl�ku m�nilo v z�vislosti na jeho p��stupu k dal��m redukuj�c�m miner�l�m, sope�n�m emis�m atd. a� do doby, kdy asi p�ed 2 miliardami let dos�hla jeho koncentrace pom�rn� konstantn� hladiny. A� do ned�vna ale mnoho v�dc� p�edpokl�dalo, �e mal� mno�stv� kysl�ku existovalo je�t� p�ed 2 miliardami let. Walker p�em�tal: "Je t�k� vysv�tlit, pro� z�st�val tlak kysl�ku n�zk� t�m�� 2 miliardy let pot�, co se objevila na sc�n� fotosynt�za zelen�ch rostlin."68

Na z�klad� nar�staj�c�ho mno�stv� d�kaz� utvo�il Walker z�v�r, �e kysl�k, poch�zej�c� z fotosynt�zy, se objevil p�ed v�ce ne� 3,8 miliardami let a doba existence prebiologick� atmosf�ry musela tedy b�t "z geologick�ho hlediska pom�rn� kr�tk�."69

Z informac� o zastoupen� izotop� s�ry v prekambrick�ch miner�lech usuzovali Churkov a spol. na "... existenci organism� redukuj�c�ch s�rany a p��tomnost podstatn�ho mno�stv� kysl�ku v pozemsk� atmosf��e p�ed 3 miliardami let nebo d��ve."70 Podobn� Eichmann a Schidlowski uk�zali na z�klad� v�zkumu izotop� uhl�ku, �e "ji� p�ed v�ce ne� 3 miliardami let byla fotosynt�zou vyprodukov�na v�t�ina z kysl�ku, kter� kdy byl uvoln�n do atmosf�ry. Tento kysl�k je nyn� v�z�n p�edev��m ve form� Fe2O3 a SO42- a jen 5 % tohoto mno�stv� je ve form� voln�ho plynu v atmosf��e."71 Tak� informace Schidlowskeho a spol.72 neprokazuj� ��dnou dlouhodobou zm�nu v izotopov�m slo�en� uhli�itan� od doby p�ed 3 miliardami let. V podstatn� nov�j�� studii ukazuje Schidlowski, �e "st�lost izotopov�ho pom�ru mezi redukovan�m a oxidovan�m uhl�kem v geologick�ch vzorc�ch z r�zn�ch dob lze nejl�pe interpretovat jako v�raz biologick� aktivity b�hem posledn�ch 3,5 x 109 let (nebo mo�n� 3,8 x 109 let)."73 Broecker74 pova�uje stabilitu pom�ru 13C/12C ve fanerozoick�ch (mlad�� ne� 0,6 miliardy let) mo�sk�ch uhli�itanech za sv�dectv� o tom, �e obsah kysl�ku musel b�t srovnateln� s jeho sou�asnou hodnotou. Pokud je tento princip spr�vn� pro fanerozoick� uhli�itany, m�l by tak� b�t spr�vn� pro uhli�itany star� 3 miliardy let. Mus�me tedy prohl�sit, �e sou�asn� hladina kysl�ku existovala ji� p�ed 3 miliardami let. Na z�klad� informac�, z�skan�ch Schidlowskim, vyvodili jin� v�dci, �e 80 % sou�asn� hladiny kysl�ku existovalo b�hem minul�ch 3,0 miliard let.75

Kysl�k produkuj�c� organismy vytvo�ily pravd�podobn� velmi star� v�pencov� usazeniny (nap�. Bulawayan, 2,7-3,0 miliardy let) stejn�m zp�sobem, jak�m se vytv��ej� sou�asn� v�pencov� usazeniny vlivem �as. Podle mno�stv� v�pence ve star�ch lo�isc�ch lze usuzovat na to, �e tehdej�� hladina O2 byla v�znamn�. N�kte�� auto�i, nap�. Rutten76, nesouhlas� s t�mto z�v�rem a tvrd�, �e proto�e byla koncentrace O2 p�ed 2,7 miliardami let jen 1 % sou�asn� �rovn�, musel b�t metabolizmus tehdej��ch organism� tvo��c�ch v�pencov� usazeniny odli�n� od sou�asn�ch �as. Proto�e nejsou zn�my ��dn� objektivn� d�vody podobn� zm�ny v metabolismu �as, je jedin�m d�vodem podobn�ho p�edpokladu touha prok�zat existenci bezkysl�kat� prebiotick� atmosf�ry. Stejn� p�ijateln� nebo p�ijateln�j�� vysv�tlen� mno�stv� v�pence ve star�ch lo�isc�ch je, �e hladina O2 v t�chto dob�ch byla pr�v� takov�, jak odpov�d� mno�stv� nalezen�ho v�pence.

Z t�to ��sti kapitoly t�kaj�c� se zdroj� voln�ho atmosferick�ho kysl�ku vypl�v� jako nejpravd�podobn�j�� n�sleduj�c� sc�n��. D�vn� sekund�rn� atmosf�ra obsahovala p�edev��m N2, H2O a CO2. Fotodisociac� pak byla vyprodukov�na ur�it� nepatrn� koncentrace voln�ho kysl�ku, zv��en� pozd�ji fotosynt�zou. Jakmile dos�hla hladina kysl�ku koncentrace 0,01 a� 0,1 PAL (samotnou fotodisociac� nebo jej� kombinac� s fotosynt�zou), vytvo�ila se ��inn� oz�nov� vrstva a zastavila fotodisociaci ve spodn� vrstv� atmosf�ry. Zb�vaj�c� vzr�st koncentrace kysl�ku na sou�asnou �rove� byl zp�soben pouze fotosynt�zou. Sou�asn� paleontologick� �daje a skute�nost, �e se �iv� organismy objevily p�ed 3,5 miliardami let, nazna�uj�, �e tento vzr�st koncentrace kysl�ku mohl prob�hnout velmi d�vno v geologick� historii (p�ed v�ce ne� 3 miliardami let).

Tento sc�n�� odkryl dv� v�znamn� ot�zky. Prvn� z nich je, jak vysok� hladina kysl�ku byla vytvo�ena samotnou fotodisociac� vody p�ed vznikem �ivota. Druh� pak, zda by tato hladina voln�ho kysl�ku nep��zniv� ovliv�ovala tvorbu a trv�n� organick�ch biomonomer�. Prvn� ot�zkou jsme se ji� zab�vali a zjistili jsme, �e sou�asn� odhady obsahu O2 v d�vn� atmosf��e, poch�zej�c�ho z fotodisociace, se pohybuj� v rozmez� 10-15 PAL a� 10-1 PAL. Levin tvrd�: "Je to �irok� rozmez� i pro v�zkumy paleoatmosf�ry. Je tedy pot�eba pokra�ovat v b�d�n� na tomto poli."77 I na druhou ot�zku je obt�n� nal�zt odpov�� a ty, kter� byly navr�eny, jsou jen kvalitativn�. Nap��klad:

Pomal� oxidace v�t�iny organick�ch slou�enin prob�h� i p�i n�zk� koncentraci kysl�ku a jej� rychlost je�t� zna�n� vzroste za p��tomnosti ultrafialov�ho z��en�. Tyto a dal�� argumenty uv�d�n� v t�to souvislosti jsou tak z�va�n�, �e se dlouhodob�j�� zachov�n� organick�ch slou�enin v prebiotick�m oce�nu zd� b�t nemo�n� pot�, co se kysl�k stal sou��st� zemsk� atmosf�ry,.78

Vyjdeme-li ze sou�asn�ho modelu tvorby oz�nu, m��eme tak� ��ci, �e horn� limit koncentrace voln�ho kysl�ku uvoln�n�ho pouhou fotodisociac� vody, byl 0,01 a� 0,1 PAL. Jak jsme ji� uvedli, zna�n� spornou ot�zkou je, zda mohl b�t tento horn� limit koncentrace kysl�ku skute�n� dosa�en pouhou fotodisociac�. Nejni��� sou�asn� odhad 10-15 PAL je jist� pro tvorbu oz�nov� vrstvy p��li� n�zk�, kde�to 10-1 PAL je horn� limit jako takov�. Jedno je jist� - jestli�e n�sleduj�c� v�zkum potvrd�, �e samotn� fotodisociace umo�nila tvorbu biologicky ��inn� oz�nov� vrstvy, bude nevyhnuteln� v�novat se �e�en� dal��ho probl�mu. V d�vn� atmosf��e by byl toti� dostatek kysl�ku na to, aby do�lo k ��inn�mu zastaven� tvorby a akumulace biomonomer�, a t�m k zamezen� pr�b�hu chemick� evoluce.

Geologick� n�lezy vztahuj�c� se k ur�en� obsahu voln�ho kysl�ku v atmosf��e b�hem r�zn�ch stadi� geologick� historie

V�sledky fyzik�ln�ho v�zkumu atmosf�ry nejsou sice jednozna�n�, pokud se t�k� obsahu kysl�ku v d�vn� atmosf��e, ale p�inejmen��m p�ipou�t�j� mo�nost, �e d�vn� atmosf�ra byla oxiduj�c�. Tato mo�nost se stav� proti obvykl� p�edstav�, �e tehdej�� Zem� byla redukuj�c�. P�ezkoumejme tedy poznatky a obvykl� d�vody, kter� vedou k tvrzen� o redukuj�c�ch podm�nk�ch na d�vn� Zemi a v jej� atmosf��e.

�vahy o voln�m atmosf�rick�m kysl�ku, odvozovan� z n�lez� miner�l�, se op�raj� o oxida�n� stupe� prvk� ve vrstv�ch miner�l�, kter� se utvo�ily b�hem r�zn�ch geologick�ch f�z�. Nap��klad p�i reakci

PbS + 2O2 ----> PbSO4

prob�haj�c� p�i teplot� 25oC je rovnov�n� tlak kysl�ku pot�ebn� pro oxidaci PbS 10-63 atm. Tento rovnov�n� tlak je tak mal�, �e kdyby byl n�jak� kysl�k p��tomen, do�lo by k oxidaci PbS na PbSO4. Pokud je tedy v hornin� vy��� obsah PbS proti PbSO4, d� se logicky p�edpokl�dat, �e byla utvo�ena v bezkysl�kat�m prost�ed�. Podobn�, je-li hojn�ji zastoupen PbSO4 ne� PbS, lze se domn�vat, �e byl p�i vzniku horniny p��tomen kysl�k. Je pou�n� si pov�imnout, �e podobn� vztah m��eme nal�zt i u jin�ch miner�l�:

Redukovan� forma Oxidovan� forma

(utvo�en� za bezkysl�kat�ch (utvo�en� za p��tomnosti

podm�nek) kysl�ku)

Fe3O4 (magnetit) Fe2O3 (hematit)

UO2 - U3O8 (uraninit) UO3

PbS (galenit) PbSO4

ZnS (wurtzit) ZnSO4 nebo ZnSO4 . 7H2O

Fe1-xS (pyrhotit) FeSO4 . 7H2O

Z termodynamiky vypl�v�, �e rovnov�n� tlaky kysl�ku pro oxidace sulfid� (PbS, ZnS a FeS) na odpov�daj�c� s�rany (SO42-) jsou ni��� ne� rovnov�n� tlak pro p�em�nu

U3O8 - UO2 na UO3 (pO2 = 10-21 - 10-23 atm.)

Rovnov�n� tlak kysl�ku pro p�em�nu Fe3O4 na Fe2O3 (pO2 = 10-72 atm) je dokonce men�� ne� hodnoty pro oxidace sulfid�. Vy�erp�vaj�c� p�ehled r�zn�ch prvk� a jejich oxida�n�ch stup��, kter� jsou vyu��v�ny v tomto typu v�zkumu, byl pod�n Ruttenem.79

Z�kladn� p�edpoklady. Interpretace �daj� o oxida�n�ch stupn�ch miner�l� z�vis� na dvou z�kladn�ch ot�zk�ch: Jak dlouho trv� oxidace dan�ho miner�lu? Jak dlouho byl dan� miner�l vystaven p�soben� atmosf�ry b�hem sv� tvorby nebo b�hem p�em�s�ov�n� a ukl�d�n�? Obvykle se p�edpokl�d�, �e miner�ly bez kysl�ku, �i v ni���ch oxida�n�ch stupn�ch, byly utvo�eny v bezkysl�kat� atmosf��e. To v�ak nen� jedin� mo�nost. Mus�me tak� br�t do �vahy reak�n� rychlost (kinetiku). P�edpov�di vych�zej�c� z termodynamick� rovnov�hy maj� v�znam jen v p��pad� dostate�n�ho �asov�ho �dob�. Pokud nen� miner�l dostate�n� dlouho v kontaktu s atmosf�rou nebo s vodou nasycenou atmosf�rick�mi plyny b�hem transportu a ukl�d�n�, nedojde k ustaven� rovnov�hy. Proto�e jsou n�kter� z t�chto reakc� p�i okoln�ch teplot�ch velmi pomal�, neznamen� nezbytn� p��tomnost redukovan�ho nebo nep��tomnost zcela oxidovan�ho miner�lu, �e atmosf�ra neobsahovala kysl�k. Na podporu tohoto tvrzen� uv�d�me v n�sleduj�c�ch odstavc�ch n�kolik p��klad�.

Charakteristick� p��klady miner�l�: oxidy �eleza a uranu.

1. Oxidy �eleza

Oxidy �eleza nejsou nepochybn�m d�kazem p��tomnosti kysl�ku v d�vn� atmosf��e. Je to nejl�pe patrn� z oblast� stability r�zn�ch miner�l� �eleza za r�zn�ch p�irozen�ch podm�nek pH a oxida�n�-reduk�n�ho potenci�lu. Pokud klesne hladina kysl�ku ze sou�asn� �rovn� na 0,01 PAL, oblast stability se zm�n� jen m�lo (viz obr�zek 5-3). To znamen�, �e stabilita a podm�nky ukl�d�n� oxid� �eleza jsou ovlivn�ny jen nepatrn�. Rutten vyvozuje: "Z toho vypl�v�, �e d�kazy ve prosp�ch bezkysl�kat� atmosf�ry nemohou vych�zet z rovnov�hy anorganick�ch reakc�,... ale z jejich kinetiky,"80 nebo z rychlosti, p�i n� oxidace prob�h�.

Podle Foxe a Dose81 nejsou zn�my ��dn� �daje t�kaj�c� se rovnov�hy mezi FeO, Fe3O4 a Fe2O3 jako funkce koncentrace O2. Holland82 vysv�tluje, �e Fe2O3 je stabiln� za extr�mn� n�zk�ch koncentrac� O2, co� vysv�tluje jeho p��tomnost v sedimentech star�ch v�ce ne� 2,5 miliardy let, kdy podle p�edpokladu neobsahovala atmosf�ra ��dn� kysl�k. Jin� geologov� v�ak vyu��vaj� p��tomnosti Fe2O3 jako d�kazu podstatn� hladiny O2 v prebiotick� atmosf��e. Davidson83 tvrd�, �e mocn� lo�iska hematitu (Fe2O3) jsou slu�iteln� pouze s p��tomnost� voln�ho kysl�ku v povrchov�ch vod�ch v dob� ji� p�ed 3,4 miliardami let. Skute�nost, �e v sedimentech v�ech st��� byly nalezeny v�echny oxida�n� stupn� �eleza od FeO, p�es Fe2O3 k FeS2 nazna�uje, �e p��tomnost dan�ho miner�lu ur�uj� m�stn� a nikoliv v�eobecn� podm�nky. Nap��klad p�ed 0,4 a� 0,5 miliardami let (kdy� hladina kysl�ku dosahovala sou�asn� �rovn�) byly ukl�d�ny redukovan� miner�ly v bezkysl�kat�ch vod�ch (m�stn� bezkysl�kat� prost�ed�) podobn�ch dne�n�mu Indick�mu oce�nu, kde se v hloubce pod 150 metr� nevyskytuje v podstat� ��dn� voln� kysl�k. N�lez t�chto sediment� by mohl v�st k chybn�mu z�v�ru, �e tehdej�� atmosf�ra neobsahovala kysl�k. Krecji-Graf vyvozuje na z�klad� t�chto poznatk�, �e geologick� d�kazy nemohou b�t pou�ity k utvo�en� v�eobecn�ho z�v�ru t�kaj�c�ho se zemsk� atmosf�ry.84 Jin� vysv�tlen� pozorovan�ch variac� oxida�n�ch stav� �eleza je, �e se hladina kysl�ku v d�vn� atmosf��e m�nila. Schopf ud�v�, �e takov� podm�nky existovaly pravd�podobn� p�ed 3,0 miliardami let a d��ve.85

N�zor, �e �erven� naplaveniny (Fe2O3) tvo�� nejlep�� indik�tor prvn�ho v�skytu kysl�ku, je st�le velmi roz���en�86 navzdory nepr�kazn�mu vztahu mezi hladinou kysl�ku a oxida�n�m stavem �eleza. Podle Walkera87: "P��tomnost vrstevnat�ch �tvar� obsahuj�c�ch oxidy �eleza v Isuask�ch skal�ch z�padn�ho Gr�nska nazna�uje, �e se kysl�k uvoln�n� p�i fotosynt�ze objevil na Zemi p�ed 3,8 miliardami let." Walkerova �vaha p�edpokl�d�, �e p�ed t�m, ne� se za�al uvol�ovat kysl�k p�i fotosynt�ze, se objevilo mno�stv� metabolick�ch proces�, kter� mohly ovliv�ovat atmosf�ru (nap�. fermentace, bakteri�ln� fotosynt�za a redukce s�ran�). Existence prebiotick� atmosf�ry slo�en� z dus�ku, oxidu uhli�it�ho a vodn� p�ry musela b�t tedy z geologick�ho hlediska velmi kr�tk�.

2. Oxidy uranu

Pon�kud jasn�j�� obr�zek poskytuj� sedimenty UO2 - UO3 z �tesu Dominion a z oblasti Witwatersrand v ji�n� Africe. Miner�ln� lo�iska obsahuj� uraninit (UO2), galenit (PbS), pyrit (FeS2) a zlato. V�echna tato lo�iska vznikla sedimentac�. Miner�ly poch�zej� ze zv�tral� �ulov� sk�ly a byly neseny prudce tekouc�mi �ekami do v�j��ovit� delty, kde ���n� proud ztr�cel rychlost a miner�ly se postupn� usazovaly. To prokazuje p��tomnost ohlazen�ch sf�rick�ch zrn uraninitu o pr�m�ru zhruba 0,0655 mm v sedimentu. Tento druh sedimentu se naz�v� �lomkovit� nebo nanesen� sediment a okol�, v n�m� byl ulo�en, se naz�v� ���n� v�j��ovit� delta (fluvial fan-delta) nebo cop�nkovit� aluvi�ln� n�ina (braided alluvial plain). Je jist�, �e miner�ly byly p�i sv�m zv�tr�v�n� a ukl�d�n� p�ed zhruba 2,5 - 2,75 miliardami let v kontaktu s atmosf�rou. Proto�e tyto naplaveniny obsahuj� redukovan� formy miner�l�, obvykle se soud�, �e k jejich utvo�en� do�lo v prost�ed� bez kysl�ku. Jak ale Miller a Orgel vysv�tluj�: "... tyto miner�ly mohly b�t ukl�d�ny za m�stn�ch redukuj�c�ch podm�nek, nebo proces prob�hal, ani� do�lo k utvo�en� rovnov�hy s atmosf�rou."88 V�t�ina geolog� u�in� pohotov� z�v�r, �e miner�ly byly v rovnov�ze d�ky v��e zm�n�n�mu transportu �ekou. To je v�ak tak� ot�zka kinetiky. Pokud byly nap��klad miner�ly p�en�eny a ukl�d�ny velmi rychle, nebyl �as na utvo�en� rovnov�hy s atmosf�rou. Za t�chto podm�nek by se ukl�dal uran v ni���m oxida�n�m stupni jako UO2 i v p��tomnosti podstatn�ch hladin O2. Ale k rychl� sedimentaci nemohlo doj�t, kdy� jsou jednotliv� zrna miner�l� dob�e ohlazena a rozt��d�na.

Jinou mo�nost� je, �e tyto sedimenty byly transportov�ny b�hem doby ledov�. Velmi chladn� okol� by sn�ilo rychlost reakce UO2 s O2. UO2 by tedy byl ukl�d�n i v p��tomnosti O2. Existuj� doklady o p��tomnosti ledovc� v ji�n� Africe p�ed 2,5 miliardami let a z�rove� se ukazuje, �e sou�asn� deposity UO2 se vytv��� v chladn�m prost�ed�. Je skute�nost�, �e se v �ece Indu v sou�asn�m P�kist�nu vyskytuje �lomkovit� uraninit.89 Tyto �vahy a �daje ukazuj�, �e je nezbytn� zn�t rychlosti jednotliv�ch reakc� p�ed utvo�en�m kone�n�ho z�v�ru.

Trow navrhl mechanizmus pro ukl�d�n� depozit� uranu ve Witwatersrandu a v jeze�e Elliot v kysl�kat� atmosf��e b�hem dob ledov�ch, pro kter� je typick� nedostatek CO2. Tvrd�, �e "bezkysl�kat� atmosf�ra v t�chto dob�ch (p�ed 2,25 - 2,5 miliardami let) z�ejm� neexistovala."90

Je mo�no souhlasit s Walkerem91, �e d�kaz existence bezkysl�kat� atmosf�ry, kter� poskytuj� �lomkovit� uraninit a pyrit ve Witwatersrandu nen� nevyvratiteln�. Z Hollandovy 92 pr�ce vypl�v�, �e horn� limit relativn�ho zastoupen� kysl�ku kolem 1 % je v souladu s existenc� �lomkovit�ho uraninitu. Podle Muiry93 je �lomkovit� pyrit (redukovan� miner�l) b�n� dokonce i dnes. Skinner94 shrnul r�zn� p��sp�vky na pracovn�m setk�n� "U.S. Geological Survey Quartz-Pebble Workshop" prohl�en�m, �e sou�asn� teorie t�kaj�c� se atmosf�rick�ho vlivu na rudy, jak� jsou ve Witwatersrandu, pokulh�vaj�, sou�asn� �vahy nejsou spr�vn� a absence atmosf�rick�ho kysl�ku nem��e spolehliv� vysv�tlit existenci slepenc� urano�eleznat�ch k�emenn�ch obl�zk�. Navrhoval neutr�ln�j�� atmosf�ru jako alternativu k redukuj�c� i oxiduj�c� atmosf��e.

Mnoho nejasnost� kolem shroma��ov�n� miner�l� bylo roz�e�eno D.E. Grandstaffem,95 kter� vytvo�il kinetickou anal�zu oxidace U4+ na U6+. Uraninit (UO2-U4+) je termodynamicky nestabiln� p�i tlaku kysl�ku v�t��m ne� p�ibli�n� 10-21 atmosf�ry. Nicm�n� Grandstaffova kinetick� anal�za dokl�d�, �e uraninit mohl bez oxidace p�etrvat za tlaku kysl�ku a� 0,01 PAL. Tak usazov�n� urano�eleznat�ch slepenc�

...nepot�ebuje nezbytn� bezkysl�katou atmosf�ru, jak bylo d��ve navrhov�no, ale m��e se uskute�nit v atmosf��e obsahuj�c� mal� mno�stv� kysl�ku, kter� odpov�d� fotodisociaci vodn� p�ry a omezen� aerobn� fotosynt�ze.96

D�le�it�m z�v�rem Grandstaffovy kinetick� anal�zy je, �e tvorba miner�l� v ni���m oxida�n�m stupni, jak�mi jsou UO2 nebo Fe3O4, nevy�aduje absenci voln�ho kysl�ku v atmosf��e. Z toho vypl�v�, �e obvykl� argumenty, kter� zakl�daj� existenci redukuj�c� atmosf�ry na p��tomnosti redukovan�ch miner�l�, jsou nep�esv�d�iv�. K oxidaci U4+ nedojde v atmosf��e, kter� je p�inejmen��m st�edn� oxiduj�c�, tj. do 0,01 PAL. Ji� dlouho je zn�mo, �e termodynamicky p��znivou reakci je t�eba jednodu�e ch�pat jako reakci, kter� je dovolena, nemus� v�ak prob�hat. Pouze kinetickou anal�zou mohou b�t z�sk�ny detaily o tom, zda reakce prob�hla a jakou rychlost�.

Souhrn poznatk� z�skan�ch z miner�l�. Detailn� jsme p�ezkoumali d�kazy o existenci redukuj�c� prebiotick� atmosf�ry, odvozen� z �daj� o miner�lech uranu a �eleza. Proto�e nelze s jistotou popsat kinetiku oxidac� t�chto miner�l�, je obt�n� utvo�it v�rohodn� z�v�r, zda existovala doba, kdy zemsk� atmosf�ra postr�dala voln� kysl�k. Erich Dimroth a Michael Kimberley prozkoumali �adu miner�l� v�etn� slou�enin uranu a �eleza, a uzav�raj�:

V rozlo�en� uhl�ku, s�ry, uranu nebo �eleza v sedimentech jsme nenalezli ��dn� d�kaz o tom, �e by kdykoli b�hem cel� geologick� historie, zaznamenan� v dob�e konzervovan�ch naplaven�ch hornin�ch, existovala bezkysl�kat� atmosf�ra.97

Souhrn a z�v�r

V t�to kapitole jsme se zam��leli nad t�emi d�le�it�mi ot�zkami. Nejprve jsme se zab�vali �asem, kter� m�la chemick� evoluce k dispozici. Na z�klad� d�kaz� nalezen�ch v molekul�rn�ch fosili�ch a mikrofosili�ch bylo zji�t�no, �e �ivot vznikl t�m�� okam�it� (v geologick�m �asov�m m���tku) po t�, co zemsk� k�ra vychladla a stabilizovala se, tj. p�ed zhruba 4,0 miliardami let. T�m zbylo jen m�lo p�es 100 mili�n� let (�i je�t� m�n�) pro uskute�n�n� chemick� evoluce. D�le jsme p�ezkoumali vlastnosti a slo�en� rann� zemsk� atmosf�ry a zjistili jsme, �e nebyla siln� redukuj�c�, jak se p�edpokl�dalo v posledn�ch t�iceti letech. N�zor v�deck� ve�ejnosti na d�vnou atmosf�ru se v sou�asnosti m�n�. V dob�, kdy vznik� tato kniha, je �iroce p�ij�m�na p�edstava o podstatn� neutr�ln�j�� prebiotick� atmosf��e slo�en� z CO2, N2, H2O a snad z 1 % H2. Existuje sporn� bod v tom, zda d�vn� Zem� a jej� atmosf�ra mohly b�t opravdu oxiduj�c�.

Nakonec jsme se v�novali d�le�it� ot�zce obsahu kysl�ku na d�vn� Zemi.

Byly p�ezkoum�ny t�i oblasti d�kaz�, kter� vypov�daj� o existenci voln�ho kysl�ku v prebiotick� zemsk� atmosf��e: (1) informace dokl�daj�c� p��tomnost kysl�k produkuj�c�ch �iv�ch forem v hornin�ch star��ch ne� 3,5 x 109 let, (2) informace o existenci oxidovan�ch miner�ln�ch l�tek v hornin�ch star��ch ne� 3,5 x 109 let a (3) v�po�ty ur�uj�c�, �e a� do 0,1 PAL mohl b�t O2 produkov�n fotodisociac� vody. A�koliv nelze u�init ��dn� p�esn� z�v�r t�kaj�c� se hladiny kysl�ku v atmosf��e d�vn� Zem�, jsou tyto v�sledky velmi sugestivn�.

Hromad�n� d�kaz� o tom, �e na d�vn� Zemi existovala oxiduj�c� atmosf�ra, zv�raz�uje tajuplnost vzniku �ivota. Pokud budou d�kazy tohoto typu i nad�le p�ib�vat, budou se muset teorie chemick� evoluce odvol�vat na n�hodn� v�skyt prom�nn�ho nebo m�stn�ho redukuj�c�ho prost�ed� na prebiotick� Zemi. Tato mikroprost�ed� mohla existovat (jak ukazuj� redukovan� miner�ly). Ot�zkou je, zda byla vhodn� a zda existovala dost dlouho, aby v nich mohl vzniknout �ivot. Nad�je na nalezen� takov� vhodn� lokality, trvaj�c� na prebiotick� Zemi dostate�n� dlouhou dobu, je velmi mal�.

Modelov� pokusy popsan� v kapitole 3 p�ev�n� p�edpokl�daly siln� redukuj�c� atmosf�ru. Tyto pokusy pokr�vaj� �dob� od Millerova klasick�ho experimentu zve�ejn�n�ho v roce 1953 do poloviny sedmdes�t�ch let. Ve skute�nosti si lze v�imnout my�lenkov�ho posunu k m�n� redukuj�c� atmosf��e, k n�mu� do�lo v dob� letu Vikingu na Mars. A�koliv, jak vypl�v� z kapitoly 5, byly v�znamn� d�kazy, sv�d��c� o p��tomnosti kysl�ku na d�vn� Zemi, k dispozici ji� p�ed rokem 1976, teprve objev oxiduj�c�ho prost�ed� na Marsu bez zn�mek �ivota pomohl obr�tit pozornost v�dc� na ot�zku historie kysl�ku na Zemi.

Nyn� lze o�ek�vat, �e pokusy s prebiotickou atmosf�rou budou p�ehodnoceny ve sv�tle d�kaz� o tom, �e d�vn� Zem� a jej� atmosf�ra byly pravd�podobn� m�n� redukuj�c�, ne� se p�vodn� soudilo, nebo mo�n� dokonce oxiduj�c�. Jsou ur�it� n�znaky toho, �e ji� prob�haj� pokusy prov�d�n� s podstatn� p�ijateln�j�� atmosf�rou. N�kolik pokus� pou��vaj�c�ch neutr�ln�j�� a� slab� oxiduj�c� atmosf�ru bylo zm�n�no ji� d��ve v t�to kapitole. Jejich v�sledkem byly obvykle m�n� rozmanit� a m�n� koncentrovan� produkty, ne� l�tky z�skan� p�i srovnateln�ch experimentech, kter� prob�haly za v�ce redukuj�c�ch podm�nek. Zd� se v�ak, �e to nijak nezmen�uje obecn� p�esv�d�en� o tom, �e chemick� evoluce na t�to planet� zcela jist� prob�hla.

Literatura


Zp�t�����D�le