Velká kyslíková katastrofa

Přítomnost kyslíku na Zemi považujeme za samozřejmost. Kyslík však v zemské atmosféře chyběl téměř polovinu života naší planety. Když Země před přibližně 4,5 miliardami let vznikala, měla výrazně odlišné podmínky než na které jsme zvyklí dnes. V té době měla Země redukční atmosféru, která se skládala z oxidu uhličitého, metanu a vodní páry, na rozdíl od dnešní atmosféry, která se skládá především z dusíku a kyslíku. Přestože sluneční světlo štěpilo vodní páru v atmosféře na kyslík a vodík, kyslík rychle reagoval s metanem a uzavřel se v zemské kůře, takže v atmosféře nezanechal téměř žádné stopy. Tohle vše se změnilo s nástupem jednoho z nejdůležitějších organismů na naší planetě: Sinice.

Vzhledem k tomu, že před 2,7 miliardami let, kdy se vyvinuly sinice, byl život zcela anaerobní, předpokládá se, že kyslík působil jako jed a vyhubil velkou část anaerobního života, čímž došlo k vymírání. Pro vědce se ukázalo jako obtížný úkol odhadnout konkrétní linie, které zanikly, vzhledem k nedostatku konkrétních fosilních důkazů mikroorganismů. Přeci se ale vytvořily podmínky, které byly zralé pro další velký krok v evoluci: aerobní metabolismus.

Definice problému

Velká kyslíková katastrofa (Great Oxygenation event; GOE) je období, kdy v zemské atmosféře a mělkém oceánu poprvé došlo k nárůstu množství kyslíku. Tento proces začal přibližně před 2,460-2,426 miliardami let a skončil přibližně před 2,060 miliardami let. Před tímto obdobím se odhaduje, že množství kyslíku v atmosféře se pohyboval okolo 0,0001 %. Geologické a chemické důkazy naznačují, že se v zemské atmosféře začal hromadit biologicky produkovaný molekulární kyslík a změnil ji ze slabě redukční atmosféry prakticky bez kyslíku na atmosféru oxidační, která obsahovala hojné množství kyslíku, přičemž na konci GOE dosahoval obsah kyslíku až 10 % současného obsahu v atmosféře.

Zatímco se obecně předpokládá, že GOE byla důsledkem oxygenní fotosyntézy předků sinic, přítomnost sinic v období Archea před GOE je velmi kontroverzní téma. Předpokládá se, že sinice se vyvinuli před cca. 2,8 miliardami let.

Je dokonce možné, že navýšení kyslíku v atmosféře mohlo vést k době ledové, která byla smrtelnou i pro sinice. Tento fakt jsem se rozhodl zakomponovat do simulace.

Metoda

Pro modelování GOE, jsem vybral prostředí NetLogo, ve kterém se mohla sledovat závislost anaerobních organismů na množství kyslíku v atmosféře.

Model

Agenti

• Sinice

Sinice jako agenti měli několik funkcí

1. Reprodukce

Reprodukce je závislá na nastavitelné míře reprodukce a množství energie

1. Pohyb
2. Zisk energie jak z živin tak i z fotosyntézy

Zisk energie z živin zavisí na množství živin v prostředí. Energie z fotosyntézy na míře produkce kyslíku.

1. Smrt z nedostatku energie nebo změny klimatu

Pokud je energie nulová, sinice umíra. Pokud začne doba ledová, sinice začnou umírat.

1. Produkce kyslíku

Produkce kyslíku závisí na nastavitelné míře produkce kyslíku.

• Anaerobní organismy

Anaerobní organismy měli tyto funkce

1. Reprodukce

Reprodukce je závislá na nastavitelné míře reprodukce a množství energie

1. Pohyb
2. Zisk energie z živin

Zisk energie z živin zavisí na množství živin v prostředí.

1. Smrt z nedostatku energie, intolerance na kyslík nebo změny klimatu

Tolerance na kyslík je nastavitelná veličina. Pohybuje se v intervalu od 0-10 %. https://www.msdmanuals.com/professional/infectious-diseases/anaerobic-bacteria/overview-of-anaerobic-bacteria

1. Změna tvaru v případě dostatečného množství kyslíku v atmosféře

Změna tvaru organismu na "smutný obličej" nastane, když míra kyslíku v atmosféře překročí 1 %. https://www.msdmanuals.com/professional/infectious-diseases/anaerobic-bacteria/overview-of-anaerobic-bacteria

Prostředí

• Základní nastavení

Pro simulaci prostoru na Zemi před velkou kyslíkovou katastrofou, bylo důležité začít s větším množstvím anaerobních organismů a menšího množství sinic. Poté bylo nutné nastavit další parametry agentů.

Živiny byly náhodně rozprostřeny po prostoru, kde zelený patch zobrazoval živiny a hnědý patch bez živin. Živiny se ale mohly doplňovat podle nastaveného času, kdy se živiny znovu objeví.

• Doba Ledová

Poté co se hladina kyslíku dostane na 10 %, prostředí se změní na bílé a všechny organismy co ještě přežili, začnou pomalu umírat.

• Velká kyslíková katastrofa (GOE)

Poté co nastane doba ledová a sinice se dostanou pod kritické číslo, program vyhodí zprávu "Great Oxygenation Event" a prostředí se dostane do základního nastavení jen z přeživšími anaerobními organismy.

• Přežití anaerobních organismů

Pokud se anaerobní organismy dostanou nad hranici maximální počtu, program vyhodí zprávu "Anaerobic organisms have survived!" a nastaví se menší počet anaerobních organismů. Tento scénář pak loopuje do té doby než sinice ovládnou prostředí.

Výsledky

Parametry

• Počáteční hladina kyslíku

Počáteční hladina kyslíku je podle literatury vždy nastavena na 0.0001 %.

• Maximální hladina kyslíku

Maximální hladina kyslíku je podle literatury 10 %.

• Sinice a živiny

Sinice mají podle literatury nastavené, že ze živin získávájí 0-20 % energie.

• Anaerobní organismy a živiny

Anaerobní organismy mají podle literatury nastavené, že ze živin získávájí 80-100 % energie.

• Tolerance kyslíku

Kyslík začne být pro anaerobní organismy toxický když dosáhne 1 % v atmosféře.

Scénář velké kyslíkové katastrofy

Při tomto scénáři musí mít sinice větší míru reprodukce než ostatní organismy.

Na grafu je vidět jak stoupá počet sinic a při dosažení hranice tolerance na kyslík začne počet anaerobních organismů rapidně klesat. Poté se sinice dále rozmnožují až nastane doba ledová, kdy také začnou rapidně vymírat, což je také vidět v grafu.

Přežití anaerobních organismů

Při tomto scénáři musí mít anaerobní organismy větší míru reprodukce než sinice a vysokou toleranci na kyslík.

V grafu jsou vidět 3 vrcholy v reprodukci anaerobních organismů

1. První zaznamenává rychlý nárůst anaerobních organismů a poté prudký pokles nastavený programem
2. Dr

Kód

Media:cyano.nlogo