Evoluce diktovaná kyslíkem: Bouřlivé proměny atmosféry modré planety
Kyslík je životodárný plyn, bez něhož by drtivá většina živých tvorů na světě nepřežila. Zdaleka tomu tak vždy nebylo – právě kolísání jeho hladiny v zemské atmosféře v minulosti zřejmě hned několikrát posloužilo jako hybná síla evoluce
O významu kyslíku pro život není třeba pochybovat. Stačí na chvíli zadržet dech a na vlastní kůži se lze přesvědčit, jak moc je pro člověka důležitý. Už po pár desítkách vteřin většina lidí nevydrží a slastně naplní plíce čerstvým vzduchem – a s ním právě i životodárným plynem.
Trénovanější jedinci vydrží bez přísunu kyslíku i pár minut, ti nejlepší světoví rekordmani okolo 24 minut. Oproti několika dnům bez vody či týdnům bez jídla se však stále jedná o čas v podstatě směšný. Kyslík zkrátka potřebujeme neustále a jestliže se jej tělu přestane dostávat, následuje zástava srdce a krevního oběhu. O přežití pak rozhodují minuty.
První na ráně je při zástavě dechu mozek, který je bez nedostatku kyslíku velmi zranitelný – začíná odumírat už zhruba po šesti minutách bez vzduchu. Dříve či později po něm následují i další orgány a za pár desítek minut je celé tělo již nenávratně poškozeno.
Kyslík se často označuje jako elixír života, bez něhož se, podobně jako téměř všechny mnohobuněčné organismy, lidé neobejdou. Na druhé straně však nelze o kyslíku tvrdit, že čím více, tím lépe. Zůstane-li totiž tělo dlouhodobě vystaveno jeho vysokým koncentracím, mohou se naopak objevit různé zdravotní problémy – nejčastěji poškození plic.
Budiž fotosyntéza
Děti ve školních lavicích se učí, že tento plynný chemický prvek, který tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry, představuje jednu ze základních přísad vzduchu, který dýcháme. V atmosféře se jej nachází přibližně 21 %, přičemž její hlavní součást tvoří ze 78 % dusík a zbylé procento doplňují další plyny. Tato skladba ovšem v různých etapách vývoje Země vypadala jinak: Prvních pár miliard let zemská atmosféra neobsahovala téměř žádný kyslík – byla anoxická čili bezkyslíkatá. Místo něj převažoval dusík a vyšších koncentrací dosahovaly i další plyny, včetně oxidu uhličitého, vodní páry či metanu.
TIP: Životadárný kyslík: Neobyčejně obyčejná molekula
Pro mnohé tehdejší jednobuněčné organismy dokonce představoval kyslík toxický plyn, takže jim jeho nedostatek nebyl úplně „proti srsti“. Krátce po vzniku života, tedy asi před 4–3,5 miliardami let, se ovšem objevily bakterie, jež zvládaly takzvanou oxygenní fotosyntézu. Dochází při ní k přeměně oxidu uhličitého a vody na organické cukry, což způsobuje sluneční záření, a jejím odpadním produktem je právě kyslík. Toho ovšem zpočátku v prostředí moc nezůstávalo, neboť veškerá jeho produkce unikala do vesmíru, nebo skončila vznikem oxidů navázaná na různých minerálech.
„Kyslíkový holokaust“
Ruku v ruce s tím, jak asi před 2,5 miliardami let nápadně přibylo fotosyntetizujících bakterií produkujících kyslík a ubylo materiálů, které by ještě mohly zoxidovat, se životodárný plyn začal v atmosféře poměrně rychle hromadit. Ačkoli jeho koncentrace tehdy stoupla zřejmě jen na jednotky procent a zůstávala stále několikanásobně nižší, než je tomu dnes, pro život to mělo dalekosáhlé důsledky. Mnohé organismy navyklé na bezkyslíkatou atmosféru se totiž novému prostředí nedokázaly přizpůsobit a hromadně hynuly. Ne nadarmo se této události, jež se odehrála někdy v době před 2,4–2 miliardami let, přezdívá „kyslíková revoluce“, „kyslíkový holokaust“, nebo též „velká oxidační událost“.
Některé jednobuněčné druhy si však s kyslíkem rozuměly docela dobře. Nový plyn „zkrotily“ a začaly jej využívat k efektivnějšímu vytěžení energie z přijímaných organických látek. Na zmíněném plynu se nakonec staly i díky mitochondriím (viz Původ buněčných elektráren) závislými. Ačkoli se některé, většinou jednobuněčné organismy bez kyslíku obejdou, většina druhů kyslík k životu nezbytně potřebuje.
Maximum v karbonu
Vědci tvrdí, že kyslík během dalších dvou miliard let po „holokaustu“ přehodil evoluční výhybku ještě několikrát – byť je třeba dodat, že se jedná o hypotézy, které nejsou plně potvrzené.
Podle nich se po ukončení velké oxidační události procento kyslíku v atmosféře na přibližně miliardu let stabilizovalo. Jeho podíl se ovšem začal opět zvyšovat před necelou miliardou let a maxima dosáhl v karbonu (předposlední periodě prvohor) před 359–299 miliony let. Tehdy se jeho zastoupení v atmosféře zastavilo na dnes těžko uvěřitelných 35 %.
Mnohé odborníky nejvíc zaujala poměrně nápadná souvislost mezi zvyšujícím se množstvím kyslíku v prostředí a rozvojem „různorodosti“ pozemského života. Začalo to vznikem eukaryotické buňky před asi dvěma miliardami let, bez níž by nevznikly složité mnohobuněčné organismy jako rostliny a živočichové. Ti pak v prvohorách vystoupili z vody a začali osidlovat pevninu.
Kambrický výbuch života
Vztah mezi množstvím kyslíku v prostředí a evolucí života se často zmiňuje jako jedno z možných vysvětlení takzvané kambrické exploze. Jedná se o událost, která se odehrála na samém počátku prvohor, tedy v kambriu před asi 541–485 miliony let. Tehdy se během poměrně „krátké“ doby, ve skutečnosti to bylo několik desítek milionů let, objevilo ve fosilním záznamu velké množství různých mnohobuněčných živočichů. Jak se to však mohlo stát? Vědci zvažovali možnost, že vyšší koncentrace kyslíku v prostředí umožnily přežití větších a energeticky nákladnějších organismů, což podnítilo vznik dalších rozmanitých životních forem. Tato skutečnost také zajistila snadnější fosilizaci neboli proces vzniku zkamenělin těchto zvířat.
TIP: Kdy se začneme dusit: Může se stát, že nám jednoho dne dojde kyslík?
V roce 2018 se v časopise Geology objevil zajímavý článek. Shrnoval výzkum, který odhalil, že zhruba před půl miliardou let existovala hned dvě krátká, ale dost možná zásadní období, kdy množství kyslíku v prostředí zásadně pokleslo. Jeden takový propad nastal navíc jen krátce před kambrickou explozí, druhý před asi 525 miliony let – také po něm se v geologickém záznamu objevilo hned několik nových skupin živočichů.
Autoři studie spekulují, že obě kritická období mohla stát za vymřením části druhů, potažmo uvolnila prostor pro vývoj nových. Jakmile se množství kyslíku rozpuštěného ve vodě vrátilo do normálu, podnítilo to u přeživších druhů podobnou evoluční explozi, jaká nastala u savců poté, co jim na přelomu křídy a třetihor uvolnili cestu dinosauři. V současnosti tak víme, že kyslík je jedním z hlavních nástrojů, kterými evoluce disponuje.
Původ buněčných elektráren
Mitochondrie představují jeden z klíčových prvků eukaryotických organismů, tedy takových, které obsahují buňky s pravým jádrem. Zahrnují široké spektrum druhů od měňavky po žirafu. Právě v miniaturních „buněčných elektrárnách“, jak se mitochondriím přezdívá, dochází k takzvanému buněčnému dýchání, při němž se za přítomnosti kyslíku rozkládají různé organické látky a dochází ke vzniku molekuly známé jako ATP (Adenosintrifosfát). Zmíněná látka potom slouží jako zdroj energie pro téměř všechny buněčné pochody, potažmo pro fungování těla jako takového.
Analýza DNA odhalila, kde se vlastně mitochondrie v eukaryotické buňce vzaly. Nejpravděpodobnější scénář je, že mitochondrie zůstávají připomínkou bezmála dvě miliardy let staré události, kdy dávná prabuňka pohltila zástupce takzvaných alfa-proteobakterií. Toho však nestrávila, ale začala s ním spolupracovat. Později se z něj stala plnohodnotná organela, která výrazně proměnila běh evoluce – bez eukaryotické buňky by se na Zemi komplexní život tak, jak jej známe dnes, pravděpodobně nikdy nevyvinul. Není bez zajímavosti, že podobný symbiotický původ mají i chloroplasty, jež rostlinám umožňují fotosyntézu.
