Þess vegna ættir þú að lesa greinina
Án súrefnis er enginn skilvirkur bruni í frumum og þar með ekkert þróað líf.
Súrefni átti sinn þátt í fyrsta fjöldaaldauða á jörðu þar sem 99% alls lífs dó.
Til þess að geta numið nýja hnetti þarf súrefni að vera í för með okkur – og tæknin er til staðar.
Menn geta gert grein fyrir því hvernig vatn barst til jarðar og þeir hafa ágætar skýringar á því hvernig jarðskorpan hreyfist og myndar há fjöll og djúpa dali. En hvernig súrefni slapp út í lofthjúpinn og hratt þannig af stað miklu lífi hefur um áratugi verið hulin ráðgáta.
Menn spyrja jafnframt hvers vegna það þurftu að líða 1,2 milljarðar ára frá því að fyrstu ljóstillífandi bakteríur tóku að framleiða súrefni í úthöfum jarðar þar til hægt var að anda að sér þessu virka gasi í andrúmsloftinu.
Eins þegar súrefni var loksins sloppið út hvers vegna drap það þá mestan hluta lífs á jörðu og orsakaði 300 milljón ára langa loftslagskreppu.
Nú hafa vísindamenn eftir mikla mæðu leyst ráðgátu ildisins og fundið svarið djúpt undir yfirborði jarðar.
Járn og gas í djúpinu átu súrefnið
Súrefnier eitt útbreiddasta frumefni alheims. Það hefur sætistöluna 8 – þ.e.a.s. súrefnisatóm samanstendur af átta róteindum í kjarna og átta rafeindir hringa kjarnann.
Þegar tvö súrefnisatóm renna saman mynda þau tvíatóma súrefnissameindina O2 – sem við skiljum sem súrefni.
50 kg af súrefni inniheldur 75 kg maður þar sem líkaminn samanstendur einkum af vatni, H2O.
Fyrir 3,6 milljörðum ára var loftið á jörðu eitrað. Súrefni var vissulega að finna en það var bundið kolefni í gastegundinni CO2 sem ásamt metani, vetni, köfnunarefni og argoni mynduðu lofthjúpinn.
Við þessar harðneskjulegu aðstæður kviknaði líf í hafi, þar sem m.a. blágrænir þörungar þróuðust. Bakteríurnar mynduðu stórar nýlendur sem nefnast strýtuþörungar og nýtilkomin ljóstillífun þeirra hratt af stað mikilli framleiðslu súrefnis í úthöfunum.
Steingervinga af súrefnisframleiðandi blágrænþörungum, svonefnda strýtuþörunga, má finna víðs vegar í heimi. Hér eru slíkir á grunnsævi við Shark Bay í Ástralíu
En blágrænir þörungar höfðu varla framleitt súrefnið áður en það var fjarlægt úr vatninu á ný. Nánast um leið og súrefni losnaði tengdist það uppleystu járni í sjónum og féll út sem járnoxíð sem lagðist á hafsbotninn.
En gráðugt járn í hafinu er einungis lítill hluti skýringar á því hvers vegna það liðu 1,2 milljarðar ára frá því að fyrstu blágrænþörungarnir tóku að ljóstillífa, þar til ildið náði á endanum í lofthjúp jarðar.
Árið 2009 sýndi efnafræðingurinn Chadlin M. Ostrander við University of Arizona að þrátt fyrir að súrefni hafi fyrst náð út í lofthjúpinn fyrir 2,4 milljörðum ára innihélt sjórinn á grunnsævi þegar fyrir 2,5 milljörðum ára frítt súrefni – jafnvel ennþá lengur.
Frítt súrefni í hafinu ætti að hafa orsakað súrefni í lofthjúpnum, því þegar gas leysist upp í vökva gerist það í hlutfalli við þrýsting gassins við yfirborðið og öfugt. Frítt súrefni í vatni ætti þannig að leiða til súrefnisauðgunar í lofti – ef gasið gengur ekki í efnahvörf um leið og það losnar út í lofthjúpinn.
Lög úr súrefni og járni má sjá í járnsetlögum en í þeim er að finna langmest af járni á jörðu.
Gráðugt járn tók súrefni í gíslingu
Lofthjúpur jarðar var laus við allt súrefnivið fæðingu plánetunnar. En fyrir 3,6 millljörðum ára tóku lífverur að umbreyta CO2 í O2. Það liðu þó 1,2 milljarðar ára til viðbótar áður en fyrstu súrefnissameindirnar sluppu úr hafinu.
1. Járn vellur út í hafið
Lofthjúpur jarðar í bernsku hennar var laus við súrefni og höfin voru full af CO2 og uppleystu járni sem streymdi upp úr eldvirkni neðansjávar. Fyrir 3,6 milljörðum ára komu ljóstillífandi blágrænþörungar til sögunnar sem tóku að losa súrefni út í vatnið.
2. Járn gleypir allt súrefni
Súrefnið frá blágrænþörungunum var samstundis bundið af járni og féll út sem járnoxíð sem lagðist á hafsbotninn, m.a. í járnsetlögum sem eru svo útbreidd að þau eru um 60% af járnmálmi hnattarins.
3. Súrefni stígur upp úr hafinu
Það var fyrst fyrir 2,4 milljörðum ára sem magn af uppleystu járni í sjónum var svo lítið að súrefnið gat losnað úr hafinu og tók að súrefnismetta lofthjúpinn. Þetta aukna magn súrefnis í lofti var upphafið að þróuðum fjölfrumungum.
Þrátt fyrir að þetta fría súrefni á grunnsævi ætti að hafa borist út í loftið birtust fyrstu menjar súrefnis í gasformi fyrst fyrir 2,4 milljörðum ára – þ.e.a.s. 100 milljón árum síðar. Vísindamenn furðuðu sig á þessu og árið 2020 fundu þeir svar sem markar þáttaskil.
Undir forystu lífefnafræðingsins Shintaro Kadoya við University of Washington sannaði hópur vísindamanna að það var á þessum tíma í sögu jarðar sem að afgerandi breyting átti sér stað djúpt í jörðu.
Hnötturinn skiptist upp í lög, efst er jarðskorpan og undir henni er lag sem nefnist möttull. Samkvæmt vísindamönnum varð möttullinn fyrir 2,4 milljörðum ára oxíderaður – þ.e.a.s. hann kom til með að innihalda fleiri efnatengingar mettaðar með súrefni sem leiddi til breytingar á efnasamsetningu í eldgosum á yfirborðinu.
Fram til þessa höfðu lofttegundir í eldgosinu samanstaðið af súrefnissnauðum tegundum eins og vetni og kolildi sem hvörfuðust hratt við þau fáu fríu súrefnisatóm sem voru í loftinu en nú sendu eldfjöllin frá sér meira af vatni, H2O og koldíoxíði, CO2 sem þegar var mettað af súrefni.
Vissir þú …
… að menn geta hvorki séð, fundið lykt af eða bragð af súrefni?
… að frumefnið súrefni uppgötvaðist árið 1771 af sænska apótekaranum Carl Wilhelm Scheele?
… að þrátt fyrir að súrefni sé nauðsynlegt fyrir bruna getur súrefnið sjálft ekki brunnið?
Sífellt færri af þeim súrefnissameindum sem blágrænir þörungar sendu upp í lofthjúpinn, hvörfuðust og því varð magn af fríu súrefni smám saman meira.
Þrátt fyrir að súrefni hafi til lengri tíma litið verið stórkostlegur ávinningur fyrir líf á jörðu var það í fyrstu algjör skelfing – einnig fyrir blágrænþörunga sem framleiddu það.
Ofgnótt leiddi til útrýmingar
Súrefni var nefnilega hreinasta eitur fyrir margar af þeim lífverum sem höfðu lifað á súrefnissnauðri jörð. Þessi gastegund olli þannig fyrsta fjöldaaldauða á hnettinum þar sem allt að 99% af öllu lífi hvarf.
Þessar hamfarir voru þó rétt byrjaðar þegar súrefnið breytti einnig samsetningu loftsins og braut niður sumar gastegundir sem höfðu verið þar til í miklu magni.
Fram til þess hafði gróðurhúsagastegundin metan lagt lok yfir hnöttinn og haldið honum heitum en nú hvarfaðist metanið við súrefni. Saman urðu þessi tvö efni að koldíoxíði og vatni og þrátt fyrir að koldíoxíð sé einnig gróðurhúsagastegund, þá er hún miklu vægari en metan.
Afleiðingin af þessu var sú að hitastig snarlækkaði á jörðu og stóð þetta í næstum 300 milljón ár. Íshellan breiddist mörgum sinnum út frá heimskautunum, stundum alveg að miðbaug og hefur þetta skeið verið kennt við snjóboltajörðina.
Ildi og metan gengu í hrikalegt bandalag sem varð til þess að hitakerfi jarðar hrundi og hnötturinn varð þakinn ísmassa.
Þær tegundir sem lifðu af þessar hremmingar þurftu að laga sig að súrefnissnauðu umhverfi, t.d. djúpt undir hafsbotni meðan nýjar lífverur þróuðust hratt og löguðu sig að súrefnisríkum aðstæðum.
Súrefni er nefnilega afar skilvirkt verkfæri í efnaskiptum lífvera og á einnig þátt sem eldsneyti í orkuframleiðslu í orkukornum frumnanna. Þar er efnið adenósíntrífosfat, ATP, framleitt úr sykrunni glúkósa, með því að taka upp súrefni í svonefndri oxíderingu.
Niðurbrot á glúkósa með súrefni er þannig þrettán sinnum skilvirkara fyrir lífveru heldur en efnahvörfin í t.d. bakteríum sem lifa án súrefnis. Þetta veitti nýtilkomnum lífverum mikið forskot í þróuninni.
Magn súrefnis hélt þó áfram að vera nokkuð lágt eða milli 1/10 og 1/100 miðað við núverandi stöðu – þar til fyrir um ríflega 850 milljón árum og á þeim tíma voru lífverurnar tiltölulega smávaxnar. Þetta hefur nýlega verið útskýrt í vísindagrein sem birtist í maí 2021.
Lítið súrefni leiðir til smárra dýra
Í rannsókninni gerðu vísindamenn við Georgia Institute of Technology tilraunir undir forystu líffræðingsins Ozan Bozdag með tiltekna gerð af genabreyttu geri sem hagar sér eins og afar einfaldur fjölfrumungur með því að mynda stórar móðir-dóttir nýlendur.
-219°C er hitinn sem þarf til að súrefni frjósi. Þá myndast ljósbláir ildiskristallar.
Tegundin kýs að lifa við súrefnisríkar aðstæður en getur spjarað sig án súrefnis. Vísindamennirnir ræktuðu gerið yfir í meira en 800 kynslóðir við mismunandi magn súrefnis.
Þegar gerið lifði án súrefnis og varð að knýja efnahvörf sín með öðrum hætti fjórfaldaðist stærð einstaklinga yfir 800 kynslóðir. Það sama átti sér stað fyrir gerfrumur sem lifðu í miklu súrefnismagni.
En þegar gerið var látið kljást við lítið magn af súrefni, samsvarandi til þess sem var á jörðu fyrir um 850 milljón árum, þá urðu nýlendurnar afar litlar.
Niðurstaða vísindamannanna er sú að súrefni takmarkar í raun stærð þeirra lífvera þegar efnið er einungis til staðar í litlu magni, því í einföldum lífverum þarf súrefnið að þrengja sér inn í frumur beint frá umhverfinu.
Ediakara-fánan samanstóð af fyrstu flóknu lífsformum á jörðu sem minna á lindýr og orma. Minnstu dýrin voru fáeinir millimetrar en þau lengstu margir metrar.
Þess vegna komu nú fram þróaðir fjölfrumungar – og þar með dýrin á jörðu – í fyrsta sinn með svonefndri Ediakara-fánu fyrir um 600 milljón árum.
Lífið er orðið háð súrefni
Núna hefur dýralífið breiðst út um allan hnöttinn og þróunin hefur gert sínar ótal tilraunir með ýmis öndunarfæri til að flytja súrefnið bæði inn í líkamann og um hann.
Þessi grundvallaráskorun er enn til staðar – flytja þarf súrefnið til hverrar og einnar frumu í einstaklingnum, annars deyr fruman og á endanum sjálf lífveran.
Holur, holrými og himnur færa lífi súrefni
Vísindamenn telja að allt þróað líf á jörðu þarfnist súrefnis til að knýja svonefnd efnaskipti í frumum. En hvernig þessi lífvænlega gastegund kemst inn í líkamann er breytilegt milli tegunda.
Húðöndun takmarkar stærðina
Hjá lífverum sem anda með húðinni nær súrefnið beint inn í gegnum hana. Þessi tækni krefst þess að dýrið sé með stórt yfirborð miðað við rúmtak og takmarkar þannig hve stórir t.d. flatormar og hringormar geta orðið.
Rörakerfi dreifir súrefninu
Mörg lindýr á landi, t.d. skordýralirfur, anda í gegnum kerfi gata á hliðunum sem nefnast loftæðar. Þær tengjast loftæðagreinum, stífum rörum sem hleypa lofti inn í líkamann og greinast síðan í sundur þannig að súrefnið er flutt beint til frumnanna.
Lungu eru þróuð fyrir landið
Skriðdýr, froskar, fuglar og spendýr, þar með talið hvalir, anda með lungum. Í fínustu berkjum lungnanna þrengir súrefnið sér í gegnum afar þunnar himnur inn í blóðið þaðan sem því er síðan dælt um líkamann.
Tálkn sækja súrefni úr vatni
Tálkn hjálpa bein- og brjóskfiskum, krabbadýrum og lindýrum við að taka súrefni beint úr vatninu í gegnum þunnar húðfanir. Tálkn virka nánast eins og par af lungum á röngunni.
Þar til fyrir fáeinum árum töldu vísindamenn einnig að allt æðra dýralíf væri háð súrefni.
En árið 2010 fann teymi vísindamanna, undir forystu Roberto Danovaro frá tækniháskólanum í Ancona á Ítalíu, þrjár tegundir af örsmáum brynormum í Miðjarðarhafi sem – að því er virðist – lifa allt sitt líf í algjörlega súrefnissnauðu umhverfi.
Helsta tilgáta vísindamannanna um það hvernig frumur brynorma fá orku er að sumar tegundir hafi hvatberalíkan mekanisma í frumu, svokallaða hydrogenosóma sem geta haldið frumum á lífi án súrefnis. Sú virkni hefur til þessa einungis verið þekkt frá afar einföldum lífverum eins og svömpum en ekki frá dýraríkinu.
Árið 2020 dúkkaði upp enn eitt dýr sem lifir án þess að brenna súrefni. Þá uppgötvaði ísraelski dýrafræðingurinn Dayana Yaholomi og teymi hennar tegundina Henneguya salminicola – holdýr í fjölskyldu með marglyttum sem lifa sníkjulífi á löxum.
Henneguya salminicola festir sig á lax og lifir greinilega algjörlega án súrefnis.
Henneguya salminicola er fyrsta dýrið sem vísindamenn vita um sem skortir þann bút af DNA í genamengi sínu sem kóðar fyrir orkuver frumnanna, hvatberana. Án hvatbera er engin ástæða til að taka upp súrefni.
Rétt eins og á við um brynormana hafa vísindamenn ekki skilið til fulls ennþá hvernig dýrið fær sína orku.
Staðreyndin er eftir sem áður sú að þrátt fyrir að brynormar og laxasníklar geti spjarað sig án súrefnis, þá getur manneskjan það alls ekki.
Og meðan þessi merkilega efnatenging er núna aðgengileg í lofthjúp jarðar þá er skortur á henni næstum alls staðar annars staðar í alheimi.
Geimfarar munu anda að sér Mars-ildi
Þess vegna verða geimfarar sjálfir að flytja með sér eða framleiða súrefni þegar þeir halda til Alþjóðlegu geimstöðvarinnar eða á enn fjarlægari áfangastaði.
NASA hefur náð hvað lengst í þeirri tækni að framleiða súrefni á framandi plánetu og þar hafa menn útbúið nýja marsjeppann, Perserverance, með búnað til að umbreyta CO2 sem er í miklu magni í lofthjúp Mars, í súrefni.
Tilraunin MOXIE getur framleitt ríflega tíu grömm af hreinu súrefni á klukkustund. Það samsvarar um einum þriðja af þörf fullorðinnar manneskju. Fyrir vikið þarf því að stækka upp MOXIE-búnaðinn verulega áður en hann verður nýtanlegur í Mars-leiðangri.
NASA tilkynnti þann 27. apríl 2021 að tækinu MOXIE um borð í Mars-jeppanum Perseverance hafi tekist að framleiða ildi á rauðu plánetunni.
Klofið koldíoxíð tryggir geimförum súrefni
Súrefni skiptir sköpum fyrir menn og er einnig mikilvægt efni í eldflaugaeldsneyti. Því gerði NASA tilraunir með að framleiða súrefni á framandi plánetu í tilraun sem kallast MOXIE um borð í Mars-jeppanum Perseverance.
1. Rafmagn klýfur koldíoxíð
CO2 í lofthjúp Mars fer í gegnum neikvæðan pól MOXIE, katóðuna. Rafspennumunur og hitastig við 800° orsakar rafgreiningu, þar sem CO2 klofnar í jónir af ildi og kolildi.
2. Súrefnis-jónir halda til anóðu
Kolildið er aukaafurð og er losað aftur út í lofthjúp Mars. Súrefnis-jónirnar eru með tvær aukarafeindir og því neikvæða hleðslu. Þær halda í átt að jákvæðu skauti MOXIE, anóðunni.
3. Atóm safnast saman í súrefni
Við anóðuna oxíderast súrefnisjónirnar og mynda tvö og tvö súrefnisatóm, O2. Við sama tækifæri losna alls fjórar auka rafeindir til anóðunnar og fara þar í rafrás.
Fyrir utan það að halda áhöfninni á lífi með MOXIE – eða samsvarandi tækni – þarf að framleiða það súrefni sem þarf til að fylla á eldsneytistanka geimskips, svo það geti snúið aftur til jarðar. Útreikningar frá NASA sýna að það þarf um 25 tonn af súrefni til að brenna þau sjö tonn af hreinu eldflaugaeldsneyti sem þarf fyrir geimfar með fjóra geimfara á leið aftur til jarðar.
Að finna súrefni á Mars er ekki sérstökum vandkvæðum bundið. Efnið er hið þriðja algengasta í alheimi á eftir vetni og helíum og finnst hvarvetna í ótal efnasamböndum.
Áskorunin felst í því að óháð því hvernig losa skal súrefni frá t.d. CO2 þá þarf að rjúfa efnatengingar milli atómanna – og til þess þarf orku.
Fyrir utan MOXIE – eða sambærilegt apparat í stærri skala – þurfa geimfarar því að flytja með sér búnað til að framleiða orku, t.d. sólarsellur eða litla kjarnaofna. Því kann að fara svo að einhver ný tækni taki fram úr MOXIE.
Árið 2020 sýndu þrír vísindamenn við Washington University undir forystu efnafræðingsins Praley Gayen nefnilega hvernig afar sterkt saltvatn sem hefur fundist á Mars má kljúfa í ildi og vetni með rafgreiningu.
13 geislavirkar súrefnissamsætur eru til. Samsætan O-15 lifir lengst með helmingunartíma sem er rúmar tvær mínútur.
Ferli þetta notar einungis 1/25 af þeirri orku sem MOXIE þarf til að framleiða samsvarandi magn súrefnis – og þetta er kostur sem er örðugt að líta fram hjá í geimferð þar sem hvert einasta kíló af farmi kostar gríðarlegt fjármagn.
Lofthjúpur gengur í barndóm
Á einhverjum tímapunkti mun verða nauðsynlegt að skapa súrefni á jörðu í sama mæli eins og ljóstillífun gerir núna. Framleiðsla jarðar stöðvast nefnilega þegar sólin gerir plánetuna of heita fyrir jurtalíf eftir um 1 milljarð ára.
Þessu spá stjarnlíffræðingurinn Kazumi Ozaki frá Toho University og kollegi hans, Christopher T. Reinhard í rannsókn frá mars 2021.
Vísindamennirnir tveir hafa keyrt loftslagslíkön fyrir jörðu, ekki bara til áranna 2100 eða 2500, heldur margar milljónir ára fram í tímann.
Í öllum líkönunum brotnar lofthjúpur jarðar saman og skilur einungis um eitt prósent af núverandi magni ildis eftir en á hinn bóginn mikið magn af koldíoxíði og metani – rétt eins og raunin var í bernsku jarðar áður en ildið náði að rísa upp í lofthjúpinn.
Með þessum hætti mun jörðin þá enda þar sem hún byrjaði.
