Magyar Tudomány, 2008/06 656. o.

A klíma- és környezetváltozások földtudományi összefüggései

Az élet keletkezése

az őslégkör összetétele

és az éghajlat tükrében

Mészáros Ernő

az MTA rendes tagja

Veszprémi Egyetem Föld- és Környezettudományi Tanszék

meszaroserno invitel . hu

1. Bevezetés: elképzelések az élet keletkezéséről

A földi élet keletkezésének megmagyarázása sokáig kívül esett a tudomány vizsgálati körén. Ez érthető is, ha figyelembe vesszük, hogy a tudomány kísérleteken, illetve megfigyeléseken alapul. A tudomány múlt századi látványos fejlődése ezen a téren is használható eredményeket hozott. Ma sem tudjuk azonban pontosan, hogy a szervetlen molekulák hogyan álltak össze bonyolult szerves anyagokká, majd egysejtű élőlényekké. Sőt még azt a filozófiai kérdést sem tudjuk megválaszolni, hogy az élet a körülmények csodálatos összejátszása révén csak a Földön keletkezett-e, vagy ez az esemény a Naprendszerben, illetve az Univerzumban számos bolygón megtörtént-e. Ennek ellenére úgy gondoljuk, hogy jóval közelebb vagyunk a megoldáshoz, mint, mondjuk, száz évvel ezelőtt.

Az élet alapköveinek képződésére vonatkozó első elképzelést még a húszas években Alekszander Ivanovics Oparin orosz biokémikus vetette fel, amely szerint az élet reduktív, oxigénmentes környezetben a Nap ultraibolya sugárzása energiájának segítségével jött létre. Ezt az elképzelést később John B. S. Haldane brit genetikus is magáévá tette, majd John D. Bernal brit kristályfizikus javasolta (Bernal, 1971), hogy bizonyos agyagszilikátok felületén a molekulák bonyolultabb formákká rendeződése sokkal valószínűbb. A gondolat nagyszerűségét mi sem jelzi jobban, hogy lehetővé tette laboratóriumi kísérletek elvégzését, azaz az elképzelés bizonyos szintű ellenőrzését. A kísérletet Stanley L. Miller (1953), a Chicagói Egyetem akkori doktorandusza végezte el, témavezetője, az akkor már neves tudós Harold C. Urey segítségével. A kísérletekben nitrogén, ammónia és metán keveréke (légkör) vízzel (óceán) érintkezett, míg az energiát elektromos kisülések szolgáltatták. A laboratóriumi berendezésben a természetes fehérjemolekulákat felépítő húsz aminosavból tíz keletkezett (az oxigén jelenléte gátolta a folyamatot), ami abban az időben szenzációs eredménynek számított. Később azonban a kísérlettel kapcsolatban bizonyos nehézségek merültek föl. Így az űrkutatás kiderítette, hogy a Vénusz és a Mars légköre nem ammóniából és metánból áll, hanem elsősorban szén-dioxidból épül fel, ami a kísérletek szerint nem segíti elő az aminosavak képződését. A másik probléma abból adódott, hogy a szerves vegyületekben, így az aminosavakban is a szénatomhoz négy atom, illetve atomcsoport kapcsolódik. Ebből következik, hogy az adott molekula tükörképe is felépíthető, és a jobbkezes és balkezes (az egymás mellé helyezett jobb és bal kéz analógiájára) molekulák kémiailag egyenértékűek egymással. Laboratóriumi kísérletekben a kétfajta molekula azonos gyakorisággal keletkezik, élő szervezetekben azonban a fehérjéket felépítő aminosavak mindig balkezesek: nem tudjuk, miért.

A következő kérdés a fehérjék kialakulása aminosavakból. Ezzel kapcsolatban megjegyezzük: Sidney Fox (Miami Egyetem) kimutatta (lásd van Andel, 1994), hogy ha aminosavakat tartalmazó vizes oldatot többször feloldunk és elpárologtatunk, akkor bizonyos körülmények között az aminosavak fehérjékké rendeződnek. Sőt a keletkezett fehérjék kettős falú kicsiny gömböcskéket hoznak létre, amelyek az oldatból különböző anyagokat abszorbeálnak, növekednek és osztódnak. A problémák (pl. a DNS kialakulása) további boncolása nélkül megjegyezzük: eszerint az elképzelés szerint az élet a sekélyebb tengervízben jött létre, és kialakulásában, valamint fenntartásában a napsugárzás fontos szerepet játszott. Amennyiben ez az elképzelés helyes (ma már vannak más elképzelések is, pl. hogy az élet az óceánfenéki melegforrások környezetében alakult ki), akkor nyilvánvaló, hogy a folyamatban a vízzel érintkező légkör, illetve az éghajlat is fontos szerepet játszott. A továbbiakban jelen tanulmányt röviden ennek a kérdésnek szenteljük.

2. A légkör szerepe az éghajlat alakításában

Az élet keletkezésére vonatkozó fenti elképzelés helyességének alapvető feltétele, hogy mintegy négymilliárd évvel ezelőtt a fiatal Föld felszínén a víz cseppfolyós halmazállapotban fordult elő. Nem volt olyan hideg, hogy a víz megfagyjon, és nem volt olyan meleg, hogy felforrjon. Ez viszont csak úgy lehetséges, hogy a bioszféra megjelenése előtti légkör a bolygónak megfelelő hőmérsékletet biztosított. Erre a melegítő hatásra mindenképpen szükség volt, mivel a Nap abban az időben mintegy 25 %-kal kevesebb energiát sugárzott, mint napjainkban, mint ez a csillagok fejlődésére vonatkozó vizsgálatokból következik. A szakemberek ezt a helyzetet a „hideg nap” paradoxonként szokták emlegetni.

A probléma megértése céljából tekintsük a jelenlegi napállandót (a napsugárzásra merőleges felületegységen időegység alatt áthaladó energia: 1370 W m^-2) és számoljuk ki, hogy mekkora lenne légkör nélkül a Föld átlagos hőmérséklete, feltételezve, hogy az albedó (a beérkező és a visszavert napsugárzás aránya) 0,3-mal egyenlő. A számítás egyszerűen úgy végezhető el, hogy a beérkező és a felszín által kisugárzott (ez a Stefan–Boltzmann-féle törvény alapján írható fel) energiát egyenlővé tesszük, azaz feltételezzük, hogy a bolygó sugárzási egyensúlyban van. A számítás 255 K, azaz -18 °C-kal egyensúlyi hőmérsékletet eredményez, szemben a ténylegesen megfigyelt +15 °C-kal. A különbség a légkör jelenlétével, pontosabban a légköri üvegházhatással magyarázható. Tételezzük fel ezek után, hogy a napállandó 25 %-kal kisebb, akkor az egyensúlyi hőmérséklet -55°C-kal egyenlő. Ha tehát azt akarjuk, hogy az átlagos hőmérséklet négymilliárd évvel ezelőtt hasonló legyen a jelenlegi értékhez, akkor fel kell tételeznünk, hogy az üvegházhatás az élet keletkezésekor jóval jelentősebb volt, mint napjainkban. Tobias Owen és munkatársai (1979) modellszámításai szerint ehhez mintegy ezerszer akkora szén-dioxid parciális nyomás kellett, mint a jelenlegi érték.

Mindez közvetve arra utal, hogy az őslégkörben sokkal nagyobb volt a szén-dioxid koncentrációja, mint napjainkban. Más szavakkal: az élet keletkezéséhez szükséges hőmérsékletet a nagyobb üvegházhatás biztosította.

3. A légkör összetétele az élet megjelenése előtt

A jóval nagyobb szén-dioxid parciális nyomás mellett a négymilliárd évvel ezelőtti légkör másik fontos jellemvonása minden bizonnyal az alacsony szabad oxigénkoncentráció volt. Ezt a nézetet elsősorban geológiai leletek bizonyítják (közvetve a Miller-féle kísérletekből is következik), amelyek szerint a legrégebbi kőzetekben a vas redukált állapotban fordult elő. Elfogadott nézet, hogy a fiatal Föld légköre alapvetően a Föld belsejéből kiszabaduló gázokból tevődött össze. Nagyon valószínű, hogy a kibocsátott gázok összetétele közel egyensúlyban lehetett a redukált állapotú vassal (Holland, 1984). A vulkanikus gázok jelenleg vízgőzből, szén-dioxidból és kisebb mértékben kén-dioxidból és nitrogénből állnak. Redukált környezetben a hidrogént kb. fele arányban molekuláris hidrogén, a szén-dioxidot részben szén-monoxid, a kén-dioxidot kénhidrogén helyettesíti, míg a nitrogén továbbra is molekuláris formában fordul elő.

Az őslégkör összetétele a kibocsátott gázok mennyiségének függvényében modellszámítások segítségévek is tanulmányozható. James Kasting et al. (1979) szerint az oxigén koncentrációja ilyen modellekben erősen függ a hidrogén kibocsátásától, valamint kisebb mértékben a felszín oxidációs sebességétől. Az idézett szerzők vizsgálatukban 7×10⁷ kg/év hidrogénemisszióval számoltak. Eredményeik alapján a légköri oxigén szintjét elsősorban az 1. táblázatban feltüntetett fotokémiai és termikus reakciók határozzák meg.

A táblázatból látható, hogy a folyamatot a víz fotokémiai bomlása indítja el, amely atomos és molekuláris hidrogén, hidroxil (OH) szabad gyökök és atomos oxigén keletkezéséhez vezet. A szabad gyökök oxidálják a szén-monoxid-molekulákat, amely szén-dioxidot hoz létre. A szén-dioxid a légkör felső rétegeiben fotokémiailag elbomlik, és 60 km-es magasságban atomos oxigént hoz létre. Ebben a magasságban a molekuláris oxigén a CO₂ bomlásából származó oxigénatomokból keletkezik. A felszín közelében az O₂ közvetlenül a víz felbomlásából származó termékekből jön létre. A modellszámítások azt is kimutatták, hogy minden szinten az N₂ az uralkodó molekula, amely kémiailag inert, ezért a légkörben felhalmozódik. Az alacsony molekuláris oxigénkoncentráció annak a következménye, hogy a napenergiát mind a víz, mind az oxigén a 0,2 m alatti hullámhosszsávban nyeli el, azaz a végtermék (oxigén) a kémiai ciklust „leárnyékolja”.

Az 1. ábra Kasting és munkatársai eredményeit mutatja be. Az ábrából kitűnik, hogy a felszín közelében 1 cm³ térfogatban 107 oxigénmolekula található (a jelenlegi érték 5,629×10¹⁸ cm^-3 a megfelelő érték). 60 km-es magasságban az oxigén a szén-dioxid bomlásának terméke. Az ábrából az is látható, hogy a legnagyobb koncentrációban előforduló komponens a nitrogén, majd ezt követi a szén-dioxid. 40 km fölött a harmadik leglényegesebb összetevő a szén-monoxid, míg alacsonyabb légkörben a hidrogén. A hidrogén koncentrációja a felszín közelében kereken 2×10¹³ cm^-3. Az élet előtti földi légkörben tehát az oxigén koncentrációja a jelenlegi értékhez képest jelentéktelen volt. Ebből két fontos megállapítás következik. Az élet egyrészt, mint már említettük, a mai oxidatív környezettől eltérő redukáló viszonyok között keletkezett. Másrészt a mai oxigéndús légkör a bioszféra terméke.

4. A légkör összetétele

és az élet kezdeti fejlődése

Az Oparin-féle elképzelés alapján valószínűnek látszik, hogy az élőlények felépítéséhez szükséges szerves molekulák a felszín közeli vizekben keletkeztek, ahol a felépítésükhöz szükséges ultraibolya energia bőségesen rendelkezésre állt. Ez az energia azonban roncsolja az élő sejteket, így fel kell tételeznünk, hogy az akkori egysejtűek a víz mélyebb (10 m) rétegében fejlődtek ki, illetve éltek. Az első élőlények minden bizonnyal sejtmag nélküli baktériumok (prokarióták) voltak. Anyagcseréjükhöz, pontosabban szénhidrátok előállításához, szükségük volt szénre/szén-dioxidra és hidrogénre. Mint az előzőekben láttuk, ezek az anyagok a légkörben bőségesen rendelkezésre álltak.

A szénhidrogének előállításának legegyszerűbb módja a szén-dioxid és a hidrogénmolekulák közvetlen reakciója. Ebben a folyamatban a hidrogéndonor maga a hidrogénmolekula. A reakcióhoz nem szükséges energia, mivel lefolyása energiafelszabadulással jár. Energia azonban a napsugárzás UV tartományában bőven rendelkezésre állt, így valószínű, hogy a kén-hidrogén is fontos hidrogénforrást szolgáltatott (2. táblázat).

A forradalmi változás akkor következett be, amikor olyan egysejtűek jelentek meg (cianobaktériumok), amelyek a hidrogént a víz felbontása útján nyerték, és az oxigént mint végterméket a környezetbe bocsátották. Tekintve, hogy elhalt cianobaktériumokból és mészkőből álló ún. sztromatolitok már 3,5 milliárd éve is keletkeztek, megállapíthatjuk, hogy a fotoszintézis mai formája már ebben az időben is létezett.

Az oxigén felhalmozódása azonban csak jóval később, mintegy 2–2,5 milliárd évvel ezelőtt kezdődött meg, amikorra befejeződött az oxidálható anyagok oxidációja. Ebben a hosszú átmeneti időszakban a szerves anyagokat nem a légző szervezetek, hanem a metanogén baktériumok fogyasztották, amelyek az energiát más baktériumok (például cianobaktériumok) által előállított szerves anyagok kémiai átrendeződése útján nyerték. A metanogén, heterotróf szervezetek a fotoszintézissel ellentétes folyamatot indítottak el, és a szenet az akkori bioszféra számára hasznos szén-dioxid, illetve metán formájában visszajuttatták a környezetbe. Így jelentős mennyiségű metán is került a légkörbe. Másrészt mintegy kétmilliárd évvel ezelőtt kifejlődtek azok az egysejtűek, amelyek „rájöttek” arra, hogy az oxigén nagyszerű energiaforrás, és megindult az anyagcsere egy másik formája, a légzés. Közben azonban a bioszféra is nagyot változott, mivel a légző baktériumok már sejtmaggal rendelkező eukarióták voltak, amelyek ősei a mai növényeknek és állatoknak.

5. Az élet hatása a környezetre és a légkörre

Az élet keletkezését a kedvező környezeti (légköri) feltételek tették lehetővé. Az élet létrejötte viszont megváltoztatta a környezeti feltételeket. Új korszak kezdődött a Földön: a további fejlődést a bioszféra és a környezet kölcsönhatása sok tekintetben meghatározta. Különösen igaz ez a megállapítás a legfontosabb környezetei elemegyüttesre – az éghajlatra –, melyet a prokarióták a légkör kémiai összetételének megváltoztatásával befolyásoltak. Ezt nem oxigéntermelésükkel, hanem az üvegházhatású gázok mennyiségének módosításával érték el. A keletkező oxigén ugyanis hosszú ideig a redukált állapotú környezet oxidációjára fordítódott (lásd következő fejezet). James Lovelock (1988) elképzelése szerint a fotoszintetizáló baktériumok alapvető szerepe az volt, hogy csökkentsék a legfontosabb üvegházhatású gáz, a szén-dioxid koncentrációját. A metanogén szervezetek viszont üvegházhatású gázokat, így metánt bocsátottak a légkörbe. A két ellentétes hatás közel másfél milliárd évre egyensúlyba került, és az egyensúlyt a légköri oxigén borította fel mintegy 2–2,5 milliárd évvel ezelőtt.

A 2. ábra a hőmérséklet és a légköri összetétel változását mutatja a bolygó fejlődése szempontjából oly fontos időszakban. A bizonyos feltételezésekkel végzett modellszámítások eredményei alapján látható (felső rész), hogy az élet keletkezése előtt a Föld átlagos hőmérséklete viszonylag magas volt, 25–30 °C között változott, kissé emelkedő tendenciával. A viszonylag meleg éghajlatot a vulkánokból kikerülő szén-dioxid biztosította, amelynek koncentrációja, mint már említettük, a mai 0,035 % körüli értékhez képest igen nagynak tekinthető. A hőmérséklet emelkedése annak volt köszönhető, hogy a Napból egyre több energia érkezett (ez a Nap-típusú csillagok fejlődéséből következik). Élettelen Földön a hőmérséklet menete nyilván nem változott volna (szaggatott görbe). Az élet megjelenése után azonban átlagos értéke kb. 15 °C-ra esett vissza a szén-dioxid mennyiségének csökkenése miatt (az ábra alsó része). Ugyanakkor a metanogén baktériumok megjelenése a légkörbe egyre több üvegházhatású metánmolekulát juttatott, ami megállította, sőt hosszú időre stabilizálta a hőmérsékletet.

A modell segítségével a baktériumok száma is meghatározható volt. Lovelock azzal a feltételezéssel élt, hogy a baktériumok növekedése 25 °C-on a maximális, míg 0 °C-on, illetve 50 °C-on megszűnik. Mint a 2. ábrából kitűnik, a baktériumok száma 3,6 milliárd évvel ezelőtt rohamosan emelkedett, majd lényegében állandóvá vált. A szabad oxigén azonban jelentősen redukálta a légköri metán mennyiségét, másrészt bizonyos baktériumok kihalásához vezetett. A metán kivonása ismét csökkentette a hőmérsékletet, míg a baktériumok részleges kihalása némileg megemelte a szén-dioxid koncentrációját.

6. Záró megjegyzés

Mint láttuk, az élet keletkezését egyebek mellett az éghajlat (Naptól mért távolság) és az őslégkör összetétele alapvetően befolyásolták. A bioszféra viszont a későbbiek során meghatározta a légkör összetételét, biztosítva ily módon saját fejlődését. Magasabb rendű, valamint szárazföldi élethez ugyanis az oxigén elengedhetetlen. Másrészt a bioszféra egyrészt közvetlenül, másrészt az üledékképződésen keresztül (Lovelock, 1988) szabályozta a légköri üvegházhatást: a Nap energiakisugárzásának megfelelően csökkentette a légköri szén-dioxid koncentrációját. Mindez alapvető volt az ember kialakulásához, és annak a számunkra kedvező környezetnek a fenntartásához, amelyet ismerünk, és olyan természetesnek tartunk.

Kulcsszavak: kezdeti bioszféra, őslégkör, légkör és éghajlat

Irodalom

Bernal, John Desmond D. (1971): Az élet keletkezése eredete. Kossuth, Budapest

Holland, Heinrich D. (1984): The GeoChemical Evolution of the Atmosphere and Ocean. Princeton University Press, Princeton, N. J.

Kasting, James F. – Liu, S. C. – Donahue, T. M. (1979): Oxygen Levels in the Primitive Prebiological Atmosphere. Journal of Geophysical Research. 84, 3097–3107. http://www.geosc.psu.edu/~kasting/PersonalPage/Pdf/J._Geophys._Res._79.pdf

Lovelock, James E. (1988): The Ages of Gaia. Oxford University Press, Oxford–New York–Toronto–Melbourne

Miller, Stanley L. (1953): A Production of Amino Acids under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 117, 528–529.

Owen, Tobias – Cess, R. D. – Ramanathan V. (1979): Enhanced CO2 Greenhouse to Compensate for Reduced Solar Luminosity on Early Earth. Nature. 277, 640–642.

van Andel, Tjeerd H. (1994): New Look on an Old Planet. Cambridge University Press, Cambridge

Warneck, Peter (1999): Chemistry of the Natural Atmosphere. Academic Press, San Diego–San Fransisco–New York–Boston–Sidney–Tokyo

1. táblázat • Molekuláris oxigén képződéséhez vezető kémiai reakciók az élet keletkezése előtti légkörben (Kasting et al., 1979). A táblázatban h a Napból érkező energiát (fotonokat), z a magasságot adja meg; M a kémiai reakcióban részt nem vevő harmadik molekula, általában N₂.

1. ábra • A különböző gázok koncentrációja a bioszféra kialakulása előtti légkörben

Kasting és munkatársai (1979) modellszámításai alapján.

2. táblázat • A fotoszintézis lehetséges formái. Megjegyzés: az energiaszükséglet kJ/mol-ban van kifejezve. A táblázatban az egyszerűség kedvéért a szénhidrátokat formaldehid reprezentálja (lásd Warneck, 1999).

2. ábra • A hőmérséklet és a légköri összetétel változása az élet keletkezése után Lovelock (1988) modellszámításai alapján.

<-- Vissza a 2008/06 szám tartalomjegyzékére

---

<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra

---

[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]

---