Lodowiec Hubbarda, Alaska. Credit: robertraines/Flickr, CC BY 2.0

Względnie spokojny region przestrzeni, który zajmujemy dziś w Układzie Słonecznym, kryje w sobie ognistą, gwałtowną przeszłość i mrożącą krew w żyłach przyszłość. Ta seria bada geologiczną i naturalną historię Ziemi, począwszy od formowania się naszego Układu Słonecznego, poprzez uderzenia asteroid i masowe wymierania, a skończywszy na wpływie człowieka na dzisiejsze środowisko. Aby naprawdę pojąć ogrom zmian, jakie przeszła nasza planeta, musimy przyspieszyć przez ogromne okresy czasu, zatrzymując się na ważnych kamieniach milowych.

Do teraz: Życie na Ziemi powstało dość szybko, zaledwie 500 milionów lat po uformowaniu się naszej planety, liczącej 4,56 miliarda lat. Około 2,4 miliarda lat temu (bya) tlen po raz pierwszy pojawił się na dużą skalę w atmosferze i oceanach, powodując masowe wymieranie i pogrążając Ziemię w epoce lodowcowej.

Podczas epoki lodowcowej, spowodowanej nasyceniem powietrza i wód nowym gazem – tlenem, Ziemia stawała się coraz chłodniejsza, mimo że Słońce zwiększało swoją jasność wraz z wiekiem. Tlen w atmosferze usunął metan, gaz cieplarniany, który utrzymywał Ziemię w cieple. Epoka lodowcowa nastąpiła po Wielkim Wydarzeniu Tlenowym, pierwszym z dwudziestu czterech masowych wymierań, jakie widziała nasza planeta. Mnóstwo jednokomórkowych form życia zostało wymazanych, a te, które przeżyły, zostały zamrożone w zawieszeniu przez pełzające zimno ze wszystkich kierunków.

Dowody tej epoki lodowcowej są obecne wzdłuż tytułowego jeziora Huron i jeziora Superior w Kanadzie. Ta część Kanady jest kraterem, starą, stabilną częścią skorupy ziemskiej, która przetrwała do dnia dzisiejszego. Kraton ten był częścią Kenorlandu, superkontynentu, który istniał w pobliżu równikowych regionów Ziemi. W rzeczywistości inne kratery Kenorlandu, takie jak Michigan i Zachodnia Australia, również wykazują dowody dużych osadów lodowcowych z tego okresu.

Jak nasza planeta powoli zamarzała, z warstwą po warstwie lodu tworzącą się na lądzie i morzu, superkontynent Kenorland zaczął się rozpadać. A w procesie tym ożywiła się aktywność wulkaniczna. W przeciwieństwie do innego superkontynentu o nazwie Vaalbara, Kenorland był ogromny. Podczas gdy Vaalbara rozpadła się tylko na dwa kratery, znajdujące się obecnie w Afryce i Australii, Kenorland był ogromny: zawierał kratery znajdujące się obecnie w Kanadzie, USA, Skandynawii, Grenlandii i na Pustyni Kalahari w południowej Afryce. Kiedy tak duże masywy lądowe rozpadają się jak kawałki ciastka, powodują ekstremalne zmiany w globalnym klimacie.

Po pierwsze, powodują one rozłamy i rozprzestrzenianie się na dnie morskim. To powoduje, że górna część dna morskiego nagrzewa się. Skorupa unosi się na płaszczu, często tracąc swoje dolne części na rzecz lepkiej, stopionej skały. Ponieważ ciepła skała ma znacznie mniejszą gęstość, wznosi się w płaszczu, zwiększając wysokość kontynentów. Wzrost wysokości oznacza większe wysokości, gdzie powietrze jest zimniejsze. Dodatkowo, ogrzewanie oceanów spowodowało zwiększone parowanie, które następnie zwiększyło globalne opady. To jeszcze bardziej ochłodziło planetę. Ponieważ planeta stawała się coraz bardziej biała, wzrosła jej zdolność odbijania światła. Całe światło słoneczne zostało odbite, co uniemożliwiło zatrzymanie ciepła.

Takie wydarzenia, które wciąż zasilają rosnące zimno, nazywane są pętlami dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Hurońska epoka lodowcowa widziała lodowce i lód pokrywający części lądu i oceanu prawie aż do równika. Była to najdłuższa epoka lodowcowa w historii, trwająca prawie 300 milionów lat, od 2,4 bya do 2,1 bya. Wydaje się, że główną przyczyną utrzymywania się tej epoki lodowcowej było spowolnienie aktywności wulkanicznej, co spowodowało dalsze zmniejszenie ilości dwutlenku węgla i metanu w atmosferze, z których część została uwięziona w lodzie i oceanach.

Epoki lodowcowe kończą się z powodu ujemnego sprzężenia zwrotnego. W okresie zlodowacenia występują intensywne opady śniegu, a woda zostaje uwięziona w postaci ogromnych ilości lodu na lądzie. W ten sposób poziom mórz spada. Opady również spadają, ponieważ w atmosferze nie ma już wystarczającej ilości wody. Opady utrzymują zimno. Lód morski topi się szybciej niż wielkie pokrywy lodowe na lądzie. Więc kiedy Ziemia nie mogła już stać się chłodniejsza i zabrakło jej opadów do utrzymania zimna, zaczęła się ocieplać z powodu Słońca. Nawet niewielkie topnienie lodu morskiego może spowodować, że woda zacznie pochłaniać ciepło słoneczne, uruchamiając pętlę, która uwalnia dwutlenek węgla i powoduje dalsze topnienie, co bardzo szybko kończy zlodowacenie. To dlatego wszystkie epoki lodowcowe kończyły się znacznie szybciej niż się zaczynały.

Wkrótce po zakończeniu epoki lodowcowej Huronu i rozpadzie Kenorlandu, w jakiejś części globalnych oceanów jeden organizm jednokomórkowy, najprawdopodobniej bakteria, zaatakował inny, prawdopodobnie archeon, który połknął go i pozwolił mu przetrwać w swoim wnętrzu. Oba te organizmy potrzebowały do przeżycia produktów odpadowych drugiego, a więc współpracowały ze sobą w tak zwanej endosymbiozie. Ta mała komórka stała się pierwszą złożoną jednokomórkową formą życia z jądrem, błonami, a archeon stał się mitochondrium. Takie formy życia są dziś znane jako eukariota, a ta konkretna komórka jest przodkiem każdego żyjącego dziś organizmu. Stało się to około 2,1 miliarda lat temu, po blisko 2,5 miliarda lat elementarnego, prymitywnego, wręcz prostego życia jednokomórkowego

Artystyczna koncepcja Rodinii. Credit: Tomo Narashima

W międzyczasie części Kenorlandu, które się rozpadły, przemieszczały się w morzach, zderzając się ponownie z nowszymi kraterami i tworząc nowy masywny superkontynent zwany Kolumbią. Kolumbia była jeszcze większa niż Kenorland, zawierając kratery, które dziś należą do Ameryki Północnej, Skandynawii, Australii, Indii i Ameryki Południowej. W rzeczywistości, zachodnie wybrzeże Indii było przyłączone do wschodniego wybrzeża Ameryki Północnej, podczas gdy zachodnie wybrzeże Kanady było przyłączone do południowej Australii. Skandynawia była połączona z Brazylią, a wszystkie lądy były ciasno przylegające do siebie. Po tym, jak została w pełni zmontowana 1.8 bya, Kolumbia zaczęła powiększać swoje rozmiary dzięki skałom wulkanicznym tworzącym się na jej granicach, a rozlana magma zaczęła stygnąć i krzepnąć.

Ta aktywność wulkaniczna wywołała więcej wulkanizmu w głębi lądu i w naturalny sposób zaczęła rozbijać superkontynent. Kolumbia zaczęła się rozdzielać 1,4 lat temu, z kraterami dzielącymi się na części Indii, Ameryki Północnej, Chin, Afryki, Skandynawii i dzisiejszej Australii. Te kraterony nie przetrwały długo niezależnie od siebie. Bardzo szybko zderzyły się ze sobą i z innymi nowo narodzonymi krateronami, tworząc następny superkontynent, Rodinię, 1,3 bya.

Rodinia pozostała prawie całkowicie na półkuli południowej i stanowi bardzo ważną część biologicznej historii Ziemi. Superkontynent ten był świadkiem ewolucji eukariotów w organizmy wielokomórkowe poprzez pierwsze pojawienie się rozmnażania płciowego. Był świadkiem powstania warstwy ozonowej w atmosferze; a jego rozpad spowodował kolejną epokę lodowcową, najbardziej przerażającą ze wszystkich.

Gdy Rodinia zaczęła się rozpadać, spowodowało to nagłe, gigantyczne wyrwy w dnie morskim. Spowodowało to nagrzewanie się skorupy ziemskiej, powtarzając ten sam mechanizm, który spowodował gwałtowne opady deszczu podczas poprzedniej epoki lodowcowej. Spowodowało to większe ochłodzenie, doprowadzając do epoki lodowcowej.

Ale ta epoka lodowcowa, epoka kriogeniczna, różniła się od hurońskiej. W rzeczywistości, takiej epoki lodowej nie widziano już nigdy więcej w historii Ziemi. Pokrywy lodowe i lodowce rozciągały się od biegunów aż po środek równika, pokrywając każdy centymetr planety, przez co wyglądała ona jak gigantyczna kula śnieżna. Trafnie zjawisko to znane jest jako „Śnieżna Kula Ziemi”. Kriogeniczna epoka lodowa została spowodowana przez dwa gwałtowne zlodowacenia w epoce lodowcowej, rozdzielone bardzo małym, ciepłym okresem interglacjału. Ta najbardziej ekstremalna epoka lodowcowa na naszej planecie trwała od 720 mya do 635 mya.

Odwilż tego lodu – jako że Rodinia się oddzieliła – widziała więcej ewolucji życia. Fragmentacja lądów spowodowała wzrost wulkanizmu w morzach, co z kolei spowodowało napływ składników odżywczych do wody. W ciągu ostatnich kilku milionów lat prekambryjskiego supereronu pojawiło się pierwsze „zwierzę”: gąbka. Rozszerzanie się dna oceanu spowodowało również powstanie wielu płytkich mórz, w których życie w końcu rozpoczęło wędrówkę z wody na ląd. Zbiegło się to z ostatecznym upadkiem Rodinii i oznaczało przejście geologicznej skali czasowej z prekambryjskiego supereronu w eon fanerozoiczny.

Od tego czasu zapis geologiczny na naszej planecie staje się bardziej szczegółowy dzięki obfitości skamieniałości. Eon fanerozoiczny, rozpoczynający się w 542 mya, dosłownie tłumaczy się jako „okres dobrze zdefiniowanego życia”. Podczas gdy supereon prekambryjski obejmował trzy duże eony i trwał ponad cztery miliardy lat, o wiele więcej wydarzyło się na Ziemi w eonie fanerozoicznym. Było więcej różnorodności, więcej zmian na dużą skalę w cechach powierzchni i atmosfery naszej planety, a także aż dwadzieścia kolejnych masowych wymierań.

Credit: Satwik Gade

W odniesieniu do życia, największa zmiana na Ziemi nastąpiła we wczesnym fanerozoiku, w okresie kambryjskim. W ciągu 25 milionów lat całe życie na Ziemi zróżnicowało się niewyobrażalnie nagle. Z podstawowego, złożonego życia jednokomórkowego pojawili się przodkowie wielu dzisiejszych zwierząt. Foramy, grzyby, algi, organizmy budujące rafy – wszystkie zaczęły pojawiać się w zapisie kopalnym. Najbardziej obfite są pikowane skamieniałości robaków, które pełzały po dnie morza. W rzeczywistości tak masowe zróżnicowanie złożonych organizmów w tak krótkim czasie, bez żadnego prekursora, zostało zauważone przez Karola Darwina jako ważny argument przeciwko teorii doboru naturalnego (przetrwanie najsilniejszych). Ten gwałtowny wzrost zróżnicowania określany jest mianem eksplozji kambryjskiej.

W międzyczasie życie na lądzie walczyło o przetrwanie. Planktony już istniały, ale ląd został najpierw skolonizowany przez mikrobowe maty sinic. Przystosowanie się do życia na lądzie wymagało zdolności do wzrostu wbrew grawitacji. Formy życia musiały również przestać polegać na medium takim jak woda, służącym do transportu składników odżywczych i jaj/spermy. Brak składników odżywczych w powietrzu oznaczał, że trudniej było przetrwać. Wielokomórkowe rośliny na lądzie potrzebowały bardzo dużo czasu, by wyewoluować, nawet gdy różnorodna fauna na oceanach rozmnażała się szybko i dobrze prosperowała. Dominującymi formami życia w okresie kambryjskim były trylobity, grupa wymarłych stawonogów. Rozwijały się one przez prawie 270 milionów lat, co czyni je najbardziej udanymi spośród wszystkich zwierząt morskich. Przetrwały dwa pierwsze śmiertelne masowe wymierania, a w sumie osiem, zanim ostatecznie zniknęły z powierzchni ziemi.

Skamieniałość trylobita znaleziona w Maroku, Afryka. Credit: Mike Peel, 2010

Gdy te morskie owady czołgały się pod wodą, kratery nad głową znów były w ruchu. Zderzyły się ze sobą i utworzyły kolejny superkontynent o nazwie Pannotia. Ale tym razem elementy składowe superkontynentu nie do końca trzymały się razem. Pannotia rozpadła się mniej niż 60 milionów lat po uformowaniu się, powodując ogromne kataklizmy dla globalnego klimatu i życia. W kambrze nastąpiły cztery szybko następujące po sobie masowe wyginięcia w ciągu 20 milionów lat od siebie, wymazując prawie 40% całego życia morskiego i zapowiadając nowy okres.

Okres ordowiku rozpoczął się 485 mln lat temu i zaznaczył pojawienie się pierwszych prawdziwych kręgowców: ryb. W oceanie żyły liczne stworzenia skorupiaste, mięczaki i stawonogi, podobne do dzisiejszych ślimaków, pająków i krewetek, tylko znacznie mniejsze. W powoli ocieplających się wodach dryfowały rozgwiazdy, gąbki, koralowce i inne zwierzęta filtrujące.

Na lądzie powoli, lecz pewnie zaczęły rosnąć prymitywne rośliny. Istniało jednak pewne utrudnienie. Gleba, jaką znamy, nie istniała w ordowiku. Gleba to połączenie minerałów i w większości rozłożonej materii organicznej. A 465 mln lat temu górną warstwę stanowiła goła skała lub piasek, niezdolne do podtrzymywania życia. Na lądzie i tak zaczęły rosnąć grzyby, algi, mchy i porosty – małe, drobne roślinki, które wczepiały się w skały i piasek, próbując się utrzymać. Najczęstszymi roślinami były porosty, które nawet dziś można znaleźć na suchych terenach pustynnych. Gdy zaczęły pojawiać się zwierzęta grzebiące, gleba stała się bardziej żyzna. Ordowickimi grzebaczami były robaki i roztocza, przedzierające się przez skały, rozluźniające je.

Ale grzebanie przez te maleńkie robaki i rośliny, które zaczęły przywierać do skał, miało nieoczekiwane konsekwencje. W pewnym momencie górna warstwa skał w wielu miejscach erodowała do morza, zabijając wszelkie życie na niej. Rośliny na lądzie były fotosyntetyzujące, więc ich ciągłe obumieranie spowodowało obniżenie poziomu dwutlenku węgla. Martwe życie dostające się do wody spowodowało wzrost poziomu węgla w wodzie, obniżając zawartość tlenu.

W międzyczasie kratery pozostałe po Rodinii i Pannotii połączyły się, tworząc mniejsze kontynenty. Ameryka Południowa, Australia, Antarktyda, Indie i Afryka zbiły się w jeden duży kontynent zwany Gondwanalandem, nazwany tak na cześć ludu Gondów z centralnych Indii. Gondwanaland stale dryfował w kierunku bieguna południowego, w zimne, ciemne rejony planety. Powolny chłód, połączony ze spadkiem dwutlenku węgla, przyniósł kolejną epokę lodowcową.

Epoki lodowcowe, podobnie jak masowe wymierania, przychodziły i odchodziły. Podobnie jak masowe wymierania, było pięć wielkich epok lodowcowych. Chociaż wielka piątka każdej z nich nie pokrywa się w czasie, każdej epoce lodowcowej prawie zawsze towarzyszy masowe wymieranie. W tym przypadku trzecia z wielkiej piątki epok lodowcowych zbiegła się z pierwszym z wielkiej piątki masowych wymierań. Początek zlodowacenia andyjsko-saharyjskiego zapoczątkował łańcuch wydarzeń, które doprowadziły do masowego wymierania ordowicko-syluryjskiego.

Epoki lodowcowe powodują zmiany w poziomie morza, duże wahania w klimacie i w końcu wulkanizm, który ostatecznie przyczynia się do powstania pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wulkanizm i zmiany w poziomie morza uwalniają jednak toksyczne gazy do atmosfery, które mogą spowodować anoksję (brak tlenu) w oceanach i atmosferze, co tworzy kolejną pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla masowych wymierań. To masowe wymieranie zabiło ponad 40% życia na lądzie i prawie 85% życia w wodzie.

Oprócz erozji gleby i zlodowacenia istnieje jeszcze jedna hipoteza, którą naukowcy podejrzewają, że mogła spowodować masowe wymieranie: wybuch promieniowania gamma.

Reżyseria artystyczna wybuchu promieniowania gamma niszczącego gwiazdę. Obraz: NASA Goddard Space Flight Center

Wybuchy promieni gamma to bardzo potężne, nieprzewidywalne błyski energii obserwowane w odległych galaktykach. Są one najbardziej energetycznym sposobem, w jaki promieniowanie elektromagnetyczne może zostać uwolnione we wszechświecie. Rozchodzą się one w postaci strumieni, gdy umierająca gwiazda zapada się, czasami w czarną dziurę. W czasie krótszym niż dwie sekundy, wybuch promieniowania gamma może wydzielić tyle energii, ile Słońce w ciągu dziesięciu miliardów lat. Dziesięć miliardów.

Ekspozycja na pojedynczy wybuch promieniowania gamma na jego bezpośredniej drodze mogłaby całkowicie zniszczyć fizycznie naszą planetę, rozbijając ją. Promień gamma przechodzący obok Ziemi mógłby chemicznie uszkodzić atmosferę i pozbawić planetę całego ozonu. I może praktycznie zabić całe życie na Ziemi, co dokładnie stało się podczas masowego wymierania ordowicko-siluryjskiego, drugiego najgorszego masowego wymierania, jakie kiedykolwiek widział świat.

Następna rata będzie mówić o ewolucji roślin, dalszej ewolucji zwierząt, pierwszych kilku górach na planecie, pięciu masowych wymieraniach, w tym następnym wielkim, i formowaniu się ostatniego wielkiego superkontynentu.

Sandhya Ramesh jest pisarką naukową skupiającą się na astronomii i naukach o Ziemi.