9. Rozvoj života na zemi a s tím související změny protředí

• na počátku nebyl v atm. kyslík ale hlavní součást stmosféry CO2

Složení prvotní atmosféry
- Převažovaly N2, CO2, H2O
- Málo redukovaných plynů (H2, CH4, NH3) z vulkanické činnosti.
- Plyny emitované při vulkanické činnosti reagovaly s vodou a vznikaly kyseliny, které urychlovaly zvětrávání minerálů zemské kůry (Na, Mg, & Ca), které se spolu s Cl akumulovaly v oceánech Cl2CO2

Původ atmosféry
- Nemáme informace z počátku vývoje Země (před 3.9 miliardami let)
- Prvotní atmosféra se vytvořila uvolňováním plynů z roztavených hornin
- Vulkanické erupce obsahují stopová množství C, N a S
- Těkavé látky a voda byly přineseny kometami dopadajícími na zemský povrch v počátcích vývoje Země
- Dokud se Země neochladila na 100ºC, všechny plyny zůstávaly v atmosféře

Rozvoj oceánů
- Po ochlazení povrchu pod 100°C, začala kondenzovat voda z atmosféry.
- Oceány –pravděpodobně vytvořeny a znovu odpařeny několikrát, než se vytvořily současnéoceány.
- Existují důkazy o tom, že voda na Zemi byla již před 3.8miliardami let (před 3,8 mld. let) a dosáhla současného objemu v relativně krátké době.
- Celkové množství vody v oceánech je relativně stálé.
- Mnoho atmosférických plynů (CO2, HCl, SO2) rozpustných ve vodě a jsou deponovány v oceánech
- složení - Na+, Mg2+, a další kationy byly s HCO3- splavovány řekami do oceánů), CaCO3 se sráželo v oceánech

Vznik života
- organické molekuly mohly vzniknout abiotickou cestou v podmínkách podobných prvotním podmínkám na Zemi
- zastoupení prvků v bunkách (protoplazmě) a oceánech (prapolévce, hl. Na, K, Mg, Ca, NO3-, HCO3-, SO42-, MoO42-)
- prvky odpovídají prapolévce až na fosfor - pod pH 7 rozpustný, ale nad reaguje s Ca, důležitý z hlediska 3 ionizovaných skupin = na 2 se navážou nt??. a jedna chrání molekulu proti hydrolýze a udržuje v membráně, také využitelné v ATP
- vznik prvních bílkovin abiotickou cestou (formaldehyd, methionin, krátké řetězce AMK kondenzují za přítomnosti polyfosfátů – vznik ATP)

Rozvoj života
• veškerý abioticky vzniklý kyslík absorbován nejprve minerály (i po vzniku života – red beds před 2 mld lety)
• první život cca před 4 mld let
• 3,5 mld. let – nalezeny železité sedimenty v moři – ty se vytváří působením kyslíku
• 3 mld. let O2 z větší části vyměnil CO2 (= aktivita mikroorganismů)
• první aerobní bakterie až před 2 mld let, první eukaryota před 1,5 mld let, první mnohobuněční před 0,7 mld let
• stále se v průběhu zvyšovala konc. kyslíku v prostř., dnes nejvyšší hodnoty od kambria před 500 mil. let, po dosažení dost vysoké úrovně na vznik ozonu (absorpce UV) přesun života na pevninu

Anaerobní evoluce metabolismu (postup v čase)
• stopová množství N v oceánech sloužila za zdroj pro bílkoviny
• hydrotermální prameny Archaebacteria = anaerobní, termotolerantní, metanogenní, halofytní (=snášejí zasolení), obligátní heterotrofové (potřebují org. zdroj C) E získaná oxidací acetátu
CH3COOH -> CO2 + CH4
metanogeneze redukcí oxidu uhličitého - Tato cesta komplikovanější než z acetátu, potřebuje komplexnější enzymatický aparát
CO2 + 4 H2 -> CH4 + H2O
• redukce sulfátu Archaebacteria (před 2,4 mld. let) teprve po nahromadění síranů v oceánech:
2 CH2O + 2 H+ + SO42- -> H2S + 2 CO2 + 2 H2O
• fixace dusíku (nezávislost na rozpuštěném N)
N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP -> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 P

- vše strikně anaerobní

Aerobní metabolismus
• první fotosyntéza – Zelené a purpurové bakterie - možno dokázat podle velké izotopové diskriminace 13C (-28‰)
- fosilie staré okolo 3,8 miliard let jsou výrazně ochuzené o 13C
- předpokládá se, že první fotosyntetické reakce zahrnovaly sirovodík a ne vodu, protože k tomu, aby reakce běžela je potřeba méně energie

CO2 + 2 H2S -> CH2O + 2 S + H2O (E ze světla, H+ z H2S)

• další fotosyntéza
CO2 + H2O -> CH2O + O2
- Sinice (cyanobacteria), také produkují organickou hmotu ochuzenou o 13C, jedna z prvních metabolických drah
- důkaz existence už před 3,5 miliardami let: v horninách mezi křemičitanovými vrstvami vrstva Fe2O3, která nemohla vzniknout v bezkyslíkaté atmosféře.

• odtud propojení cyklu kyslíku s ostatními cykly, významné ovlivnění života a geochemických cyklů

Posloupnost po vzniku fotosyntézy produkující kyslík:
1. Rozvoj sinic
2. Oxidace Fe2+, sulfidu aj. redukovaných forem v oceánské vodě
3. Lokální rozvoj aerobní respirace
4. Přenos O2 do atmosféry a oxidace redukovaných plynů a suchozemské kůry (pyrit byl oxidován na Fe2O3 před 2 miliardami let)
5. Počátek hromadění kyslíku v atmosféře
6. 21 % O2 v atmosféře dosaženo před 430 miliony let v Siluru
Vznik fotosyntézy produkující O2 –dramatický vliv na rozvoj života
- Objevení eukaryot - před cca 2 miliardami let
- Vytvoření ozonové vrstvy a zachycení UV záření
- Přesun života z vody na souši (v siluru)
- Vývoj nových biochemických cest:

• oxidace síry:
2 S + 2 H2O + 3 O2 --> 2 SO42- + 4 H+
vzniklé protony využity s CO2 v energetickém metabolismu

• nitrifikace:
2 NH4+ + 3 O2 --> 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+
2 NO2- + O2 --> 2 NO3-
• denitrifikace:
2 CH2O + 4 H+ + 4 NO3- --> 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O
fakultativně anaerobní proces (i v prostředí kyslíku, ale pomalejší)

Proč se život změnil z anaerobního na aerobní?
Primárním anaerobním metabolismem v hydrotermálních zdrojích se za rok vytvořilo
0.2 -2.0 x 1012 mol organického C
Aerobním metabolismem jen suchozemských rostlin se za rok vytvoří
1.20 x 1017 mol organického C
Aerobní metabolismus je energeticky účinnější

- kosmické meziplanetární prachové částice obsahují jednoduché org. molekuly a aminokyseliny (Ca chondrity)