Drobnoustroje wytwarzajàce metan wyst´pujà dziÊ wy∏àcznie w Êrodowiskach

C

z a s

beztlenowych, ale niegdyÊ to one dominowa∏y w biosferze Ziemi

James F. Kasting

METANOWA MG¸A spowijajàca Ziemi´
przed dwoma miliardami lat.

m e t a n u

Oko∏o 2.3 ml

d lat temu,

gdy nasza Ziemia by∏a bardzo m∏odà planetà, drobnoustroje zwane si-
nicami tchn´∏y w nià nowe ˝ycie, wype∏niajàc niebo tlenem. Bez tych
niezwyk∏ych, pozbawionych jàdra komórkowego mikroorganizmów
wi´kszoÊç otaczajàcych nas dziÊ form ˝ycia nigdy by nie powsta∏a.

Ostatnio badacze doszli jednak do wnio-
sku, ˝e to inne jednokomórkowce i
znacznie wczeÊniej uczyni∏y naszà pla-
net´ miejscem przyjaznym ˝yciu. Ich
zdaniem przez pierwsze 2 mld lat histo-
rii Ziemi Êwiatem rzàdzi∏y niecierpiàce
tlenu metanogeny, a efekt cieplarniany
wywo∏any wytwarzanym przez nie me-
tanem mia∏ istotny wp∏yw na ukszta∏to-
wanie si´ ziemskiego klimatu.

Naukowcy ju˝ przesz∏o 20 lat temu

doszli do wniosku, ˝e metan odgrywa∏
tak istotnà rol´, jednak dopiero w cià-
gu ostatnich czterech lat uda∏o im si´
z∏o˝yç w logicznà ca∏oÊç poszczególne
elementy tej pradawnej metanowej sagi.
Symulacje komputerowe wykaza∏y, ˝e
gaz ten, który w dzisiejszej atmosferze
zdolny jest utrzymywaç si´ przez co naj-
wy˝ej 10 lat, w Êwiecie pozbawionym
tlenu móg∏ przetrwaç nawet 10 tys. lat.
Z tych zamierzch∏ych czasów nie zacho-
wa∏y si´ ˝adne skamienia∏oÊci, niemniej
wielu mikrobiologów jest przekonanych,
˝e jednymi z pierwszych form ˝ycia by-
∏y metanogeny. W okresie swego roz-
kwitu mog∏y one wytwarzaç metan w
iloÊciach chroniàcych planet´ przed za-
mro˝eniem. S∏oƒce dostarcza∏o wów-

czas znacznie mniej energii, tak wi´c
efekt cieplarniany wywo∏any obecno-
Êcià metanu by∏ czynnikiem zatrzymu-
jàcym ciep∏o przy powierzchni Ziemi.
Jednak dominacja metanogenów nie
trwa∏a wiecznie. Spadek temperatury
wywo∏any zanikaniem ich populacji za-
pewne t∏umaczy pierwsze – a niewyklu-
czone, ˝e i kolejne zlodowacenia w ska-
li globalnej.

ObfitoÊç metanu w atmosferze prawdo-

podobnie sprawi∏a, ˝e Ziemi´ spowi∏a ró-
˝owopomaraƒczowa mg∏a, podobna do
tej, jakà dziÊ obserwujemy wokó∏ naj-
wi´kszego z ksi´˝yców Saturna, Tytana.
Chocia˝ metan na Tytanie niemal na pew-
no nie jest pochodzenia biologicznego,
to podobieƒstwo tego globu do wczesnej
Ziemi byç mo˝e pozwoli nam poznaç
wp∏yw gazów cieplarnianych na klimat
naszej planety w odleg∏ej przesz∏oÊci.

Z pomocà s∏abemu S∏oƒcu

GDY OKO

¸O

4.6

MLD LAT TEMU

powstawa-

∏a Ziemia, nat´˝enie promieniowania
S∏oƒca stanowi∏o jedynie 70% obecnej
wartoÊci [patrz: James F. Kasting, Owen
B. Toon i James B. Pollack „How Cli-
mate Evolved on the Terrestrial Planets”;

Scientific American, luty 1988]. Jednak
pierwsze wyraêne oznaki rozleg∏ych zlo-
dowaceƒ pojawiajà si´ w zapisie geo-
logicznym dopiero oko∏o 2.3 mld lat
temu, co oznacza, ˝e wczeÊniej nasza
planeta by∏a przypuszczalnie cieplejsza
ni˝ nawet podczas najpóêniejszych z
epok lodowcowych w ciàgu ostatnich
100 tys. lat. Gazy cieplarniane zatem
najwyraêniej nie tylko rekompensowa-
∏y mniejszy dop∏yw energii s∏onecznej,
ale i utrzymywa∏y Êrednià temperatur´
powierzchni Ziemi na poziomie znacz-
nie wy˝szym od obecnego.

Badacze próbujàc wyjaÊniaç, dlacze-

go na wczesnej Ziemi nie dochodzi∏o do
zlodowaceƒ, poczàtkowo w ogóle nie
brali metanu pod uwag´. Na poczàt-
ku lat siedemdziesiàtych Carl Sagan
i George H. Mullen z Cornell Univer-
sity wysun´li tez´, ˝e odpowiedzialny za
to musia∏ byç amoniak, powodujàcy
znacznie silniejszy efekt cieplarniany
ni˝ metan. Póêniejsze badania wykaza-
∏y jednak, ˝e amoniak w atmosferze bez-
tlenowej szybko rozk∏ada si´ pod wp∏y-
wem promieniowania ultrafioletowego
S∏oƒca. WyjaÊnienie to okaza∏o si´ wi´c
nie do przyj´cia. Innà narzucajàcà si´
mo˝liwoÊcià by∏ ditlenek w´gla (CO

2

),

jeden z podstawowych gazów emitowa-
nych przez liczne w owym czasie wul-
kany. Mimo sporów o szczegó∏y, przez
ponad 20 lat wi´kszoÊç badaczy sàdzi∏a,
˝e to w∏aÊnie on mia∏ zasadniczy udzia∏
w kszta∏towaniu klimatu. Jednak w 1995
roku naukowcy z Harvard University
znaleêli przekonujàcy argument, ˝e za-
wartoÊç CO

2

w atmosferze wczesnej Zie-

mi by∏a zbyt niska, aby utrzymaç ciep∏o
przy jej powierzchni.

50

ÂWIAT NAUKI SIERPIE¡ 2004

DON DIX

ON (

popr

zednie str

ony

)

n

Przed oko∏o 2.3 mld lat atmosfera i oceany Ziemi nie zawiera∏y tlenu; by∏ to

istny raj dla takich drobnoustrojów beztlenowych, jak metanogeny.

n

Badacze sàdzà obecnie, ˝e metanogeny – nazwane tak, poniewa˝ jako uboczny

produkt przemiany materii wytwarzajà metan – mog∏y wprowadziç do pradawnej
atmosfery iloÊç metanu prawie 600-krotnie przekraczajàcà obecny poziom.

n

Ta nadwy˝ka metanu mog∏a byç przyczynà efektu cieplarnianego, wystarczajàcego,

by nie dopuÊciç do wych∏odzenia powierzchni planety, mimo s∏abszego wówczas
promieniowania S∏oƒca. Trwa∏o to a˝ do pojawienia si´ w atmosferze tlenu,
który wypar∏ metanogeny do nisz beztlenowych.

Przeglàd /

Rozkwit metanogenów

Methanococcales

Thermoplasmatales

Methanopyrales

Methanomicrobiales

Caldisphaerales

Cenarchaeales

Desulfurococcales

Sulfolobales

Thermoproteales

WSPÓLNY PRZODEK

BACTERIA

W tym sinice,

Proteobacteria

i bakterie gramdodatnie

EUKARYA

W tym roÊliny,

zwierz´ta, Protista

i grzyby

ARCHAEA

Thermococcales

CRENARCHAEOT

A

Methanosarcinales

Methanobacteriales

Archaeoglobi

Halobacteriales

EURY

ARCHAEOT

A

KORARCHAEOTA

NANOARCHAEOTA

Dzi´ki wczeÊniejszym badaniom ze-

spó∏ z Harvardu, kierowany przez Ro-
ba Rye’a, wiedzia∏, ˝e gdyby st´˝enie
CO

2

w atmosferze wczesnej Ziemi by∏o

mniej wi´cej osiem razy wy˝sze od obec-
nego, wynoszàcego oko∏o 380 ppm (cz´-
Êci na milion), to w wierzchnich war-
stwach ówczesnej gleby powstawa∏by
minera∏ zwany syderytem (FeCO

3

) jako

produkt reakcji ˝elaza z CO

2

w atmosfe-

rze beztlenowej. Po przeanalizowaniu
próbek gleb z okresu mi´dzy 2.8–2.2 mld
lat okaza∏o si´ jednak, ˝e nie zawierajà

one ani Êladu syderytu. Brak tego mi-
nera∏u Êwiadczy o tym, ˝e st´˝enie CO

2

musia∏o byç znacznie ni˝sze od tego,
jakie mog∏oby utrzymaç iloÊç ciep∏a nie-
dopuszczajàcà do zlodowacenia po-
wierzchni naszego globu.

Jeszcze zanim CO

2

przesta∏ uchodziç

za podstawowà przyczyn´ efektu cie-
plarnianego, zacz´to szukaç innych
wyjaÊnieƒ. Pod koniec lat osiemdziesià-
tych naukowcy przekonali si´, ˝e metan
wydajniej zatrzymuje ciep∏o w atmosfe-
rze ni˝ CO

2

o takim samym st´˝eniu,

poniewa˝ absorbuje wi´kszy zakres d∏u-
goÊci fal promieniowania odbitego od
powierzchni Ziemi. Te pierwsze bada-
nia nie doprowadzi∏y jednak jeszcze
do uznania znaczenia metanu. Mój ze-
spó∏ z Pennsylvania State University za-
jà∏ si´ metanem, poniewa˝ wiedzieliÊmy
ju˝, ˝e w pierwotnej atmosferze móg∏
on si´ utrzymywaç znacznie d∏u˝ej ni˝
obecnie.

W dzisiejszej bogatej w tlen atmosfe-

rze w´giel zawarty w metanie ∏atwo wià-
˝e si´ z tlenem w rodniki hydroksylowe,

SIERPIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

51

JOHNNY JOHNSON (

ilustracja

); BOONY

ARA

T

ANAK

ORNKIT i D. S. CL

ARK

Chemical Engineering

oraz G. VRDOLJAK

Electr

on Micr

oscope Lab,

University of California, Berkeley

(na gór

ze

); KARL O

. STETTER

Uniwersytet w R

atyzbonie

(z lewej

); GENOME NEWS NETWORK (

z prawej

)

MIEJSCE METANOGENÓW NA DRZEWIE ˚YCIA

METANOGENY, drobnoustroje wytwarza-
jàce metan, stanowià prawie po∏ow´
wszystkich znanych Archaea, jednej z
trzech domen (czerwony) organizmów ˝y-
wych wywodzàcych si´ z nieznanego
przodka. Metanogeny wyst´pujà w zró˝-
nicowanych postaciach morfologicznych,
jak pa∏eczki i ziarniaki (zdj´cia). ˚yjà one
wy∏àcznie w Êrodowiskach beztlenowych.
Wiele innych Archaea ˝yje wy∏àcznie w
ekstremalnych siedliskach, jak goràce êró-
d∏a, lodowce i bardzo kwaÊne gleby. Po-
niewa˝ pi´ç rz´dów metanogenów two-
rzy najni˝ej po∏o˝one ga∏´zie domeny
Archaea, wi´kszoÊç biologów sàdzi, ˝e sà
to jedne z najstarszych organizmów.

52

ÂWIAT NAUKI SIERPIE¡ 2004

DON DIX

O

N

PRADAWNY SMOG

RÓ˚OWOPOMARA¡CZOWA MG¸A ORGANICZNA wywo∏ana obecnoÊcià metanu utrzymywa∏a wczesnà Ziemi´ w stanie nietrwa∏ej równo-
wagi mi´dzy przegrzanà cieplarnià a zamra˝arkà. Ryciny ilustrujà proces powstawania tej mg∏y. ZawartoÊç metanu wzrasta∏a (a), co zwi´k-
sza∏o efekt cieplarniany (b), jednak nie d∏u˝ej ni˝ na kilkadziesiàt lat, kiedy to zaczà∏ si´ tworzyç ozi´biajàcy klimat smog (c).

METAN

zaczà∏ odgrywaç przypuszczalnie decy-

dujàcà rol´ w atmosferze ziemskiej niemal natych-
miast po pojawieniu si´ ˝ycia oko∏o 3.5 mld lat
temu. W tym czasie masowo rozwija∏y si´ w ocea-
nie jednokomórkowe drobnoustroje zwane meta-
nogenami, które wytwarza∏y metan utrzymujàcy
si´ w ówczesnej beztlenowej atmosferze znacz-
nie d∏u˝ej ni˝ dziÊ. Gaz ten, razem z innym domi-
nujàcym wówczas gazem cieplarnianym, ditlen-
kiem w´gla, emitowanym przez wulkany (wstawka),

podnosi∏ temperatu-
r´ powierzchni plane-
ty, przepuszczajàc do
niej Êwiat∏o s∏onecz-
ne (˝ó∏te strza∏ki) i
zatrzymujàc odbite
od niej ciep∏o (czar-
ne strza∏ki).

WIELE METANOGENÓW

woli klimat goràcy, a

zatem im cieplejsza by∏a powierzchnia naszego glo-
bu, tym wi´cej metanu by∏y w stanie wytworzyç. To
dodatnie sprz´˝enie zwrotne zwi´ksza∏o efekt cie-
plarniany, podnoszàc jeszcze bardziej temperatur´
powierzchni planety. Ciep∏y klimat przyÊpiesza∏ krà-
˝enie wody w atmosferze, wzmagajàc erozj´ i wie-
trzenie ska∏ na kontynentach – procesy, które sprzy-
jajà wiàzaniu CO

2

atmosferycznego. ZawartoÊç CO

2

w atmosferze spada∏a w miar´ wzrostu koncentra-

cji metanu, a˝ st´˝e-
nie obydwu gazów
osiàgn´∏o prawie ten
sam poziom (wstaw-
ka). W takich warun-
kach wp∏yw metanu
na klimat diametral-
nie si´ zmieni∏.

ZANIM WZROST

zawartoÊci metanu w atmo-

sferze zmieni∏ Ziemi´ w cieplarni´, niektóre czà-
steczki metanu zacz´∏y ∏àczyç si´ w z∏o˝one w´-
glowodory (wstawka), które kondensowa∏y, tworzàc
drobne czàstki. Unoszàca si´ w górnych warstwach
atmosfery mg∏a w´glowodorowa zmniejsza∏a efekt
cieplarniany, absorbujàc cz´Êç krótkich d∏ugoÊci fal
promieniowania s∏onecznego i wypromieniowujàc je
z powrotem w przestrzeƒ kosmicznà. Prowadzi∏o
to do zmniejszenia ca∏kowitej iloÊci promienio-

wania dochodzàcego
do powierzchni plane-
ty. W ch∏odniejszym
klimacie rozwija∏o si´
mniej termofilnych
metanogenów, i w
konsekwencji spada-
∏a produkcja metanu.

Padajàce Êwiat∏o s∏oneczne

Uwi´zione ciep∏o

Gazy cieplarniane

Szybsza
erozja ska∏

Wzmo˝one krà˝enie wody

Im mniej ditlenku w´gla,
tym wi´cej metanu

Odbite Êwiat∏o s∏oneczne

Mg∏a w´glowodorowa

W´glowodory

Ditlenek w´gla

Metan

a

b

c

tworzàc ditlenek (CO

2

) i tlenek w´gla

(CO) oraz par´ wodnà. W wyniku tego
metan jest w stanie utrzymaç si´ w at-
mosferze nie d∏u˝ej ni˝ 10 lat i nie odgry-
wa wi´kszej roli w bilansie cieplnym na-
szej planety. Gaz ten wyst´puje zaledwie
w znikomym st´˝eniu rz´du 1.7 ppm;
CO

2

przy powierzchni Ziemi ma st´˝enie

oko∏o 220 razy wi´ksze, para wodna
zaÊ oko∏o 6000 razy wi´ksze.

Aby okreÊliç, o ile wy˝sza musia∏a byç

koncentracja metanu, aby nie dosz∏o do
wych∏odzenia wczesnej Ziemi, wraz z
moimi studentami podjà∏em wspó∏prac´
z badaczami z Ames Research Center
NASA w celu przeprowadzenia symula-
cji klimatu w pradawnych czasach. JeÊli
przyjmiemy, ˝e 2.8 mld lat temu jasnoÊç
S∏oƒca by∏a na poziomie 80% dzisiejszej
wartoÊci, to utrzymanie temperatury po-
wierzchni planety powy˝ej punktu za-
marzania wody wymaga∏o w atmosfe-
rze bez metanu a˝ 20 000 ppm CO

2

– 50

razy wi´cej od jego obecnego st´˝enia i
siedmiokrotnie wi´cej od górnej granicy
koncentracji atmosferycznej CO

2

wyzna-

czonej na podstawie analiz próbek gleby
zawierajàcych minera∏ ˝elaza. Przy mak-
symalnych symulowanych koncentra-
cjach CO

2

mo˝liwych we wczesnej at-

mosferze potrzebne by∏oby dodatkowo
1000 ppm metanu, aby utrzymaç Êrednià
temperatur´ powierzchni Ziemi powy-
˝ej zera. Innymi s∏owy, atmosfera po-
winna zawieraç 0.1% metanu.

Metanogeny, do roboty!

WE WCZESNEJ ATMOSFERZE

mog∏aby utrzy-

mywaç si´ tak wysoka zawartoÊç me-
tanu tylko wówczas, gdyby gaz ten
doprowadzany by∏ do niej w tempie po-
równywalnym z dzisiejszym. Czy pra-
dawne metanogeny by∏y w stanie spro-
staç temu zadaniu? Starajàc si´ znaleêç
odpowiedê na to pytanie, nawiàzaliÊmy
wspó∏prac´ z Janet L. Siefert, mikrobio-
logiem z Rice University.

Biolodzy majà wiele powodów, by

przypuszczaç, ˝e wczesna atmosfera
charakteryzowa∏a si´ wysokà zawarto-
Êcià metanu. Siefert i inni uwa˝ajà, ˝e
bakterie wytwarzajàce metan powsta∏y
jako jedne z pierwszych organizmów ˝y-
wych. Sàdzà tak˝e, ˝e metanogeny mo-
g∏y ˝yç w Êrodowiskach zaj´tych obecnie
przez drobnoustroje wytwarzajàce tlen
(oksygenowe) i redukujàce siarczany, co
pozwala∏o im pe∏niç znacznie istotniej-
szà ni˝ w dzisiejszym Êwiecie rol´ biolo-
gicznà i klimatycznà.

Metanogenom odpowiada Êrodowi-

sko kszta∏towane przez erupcje wulka-
niczne. Wiele z nich wykorzystuje w
swych procesach ˝yciowych wodór (H

2

)

i ditlenek w´gla (CO

2

), wydzielajàc me-

tan jako produkt uboczny; niektóre ˝y-
wià si´ octanami i innymi substancja-
mi powstajàcymi podczas beztlenowego
rozk∏adu materii organicznej. Dlatego
w∏aÊnie dzisiejsze metanogeny mogà ˝yç
wy∏àcznie w Êrodowisku beztlenowym,
jak krowi ˝o∏àdek czy mu∏ nawodnio-
nych pól ry˝owych. Jednak na wczesnej
Ziemi ca∏a atmosfera by∏a pozbawiona
tlenu, a w nast´pstwie intensywnej ak-

tywnoÊci wulkanicznej wprowadzane
by∏y do niej znaczne iloÊci wodoru. Nie
mogàc ∏àczyç si´ z tlenem w wod´, wo-
dór przypuszczalnie gromadzi∏ si´ w at-
mosferze i oceanach w iloÊci wystarcza-
jàcej do rozwoju metanogenów.

Bioràc pod uwag´ te i inne rozwa˝a-

nia, niektórzy badacze przypuszczajà,
˝e metanogeny wykorzystujàce wodór
pochodzenia geologicznego mogà sta-
nowiç podstaw´ egzystencji podpo-
wierzchniowych systemów mikrobial-
nych na Marsie i pokrytym lodem
ksi´˝ycu Jowisza, Europie. I rzeczywi-
Êcie, najnowsze doniesienia z orbitera

SIERPIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

53

JOHNNY JOHNSON

Globalne

epoki lodowcowe

Ditlenek w´gla

Metan

Tlen

Wzgl´dne st´˝enie

4.5

2.5

1.5

0.5

0

Wysokie st´˝enie ditlenku w´gla rekompensuje s∏aby dop∏yw energii s∏onecznej

Pojawienie si´ tlenu w atmosferze

Pierwsze mikroorganizmy zaczynajà poch∏aniaç ditlenek w´gla

Poczàtek wp∏ywu metanogenów na atmosfer´

Poczàtek aktywnoÊci bakterii produkujàcych tlen

3.5

Czas (miliardy lat temu)

WZGL¢DNE ST¢˚ENIA g∏ównych gazów atmosferycznych mogà wyjaÊniç przyczyn´ Êwiatowych
zlodowaceƒ (linie przerywane) w odleg∏ej przesz∏oÊci Ziemi. Mikroorganizmy wytwarzajàce metan
poczàtkowo rozwija∏y si´ bujnie, gdy jednak oko∏o 2.3 mld lat temu w atmosferze nagle pojawi∏
si´ tlen, aby przetrwaç, musia∏y szybko znaleêç nowe siedliska. Towarzyszàce temu procesowi zmniej-
szenie produkcji metanu – wywo∏ujàcego silny efekt cieplarniany – mog∏o doprowadziç do spad-
ku temperatury na ca∏ej planecie. Rola ditlenku w´gla, najwa˝niejszego w dzisiejszej atmosferze
gazu cieplarnianego, by∏a wówczas zdecydowanie mniejsza.

JAMES F. KASTING zajmuje si´ problemem powstania i ewolucji atmosfer planet, szczególnie
Ziemi i jej dwóch najbli˝szych sàsiadów, Wenus i Marsa. Od czasu uzyskania w 1979 roku dok-
toratu w zakresie nauk atmosferycznych w University of Michigan w Ann Arbor stosuje teore-
tyczne modele komputerowe w badaniach chemii atmosfery i obliczeniach efektu cieplarnia-
nego wywo∏anego przez ró˝ne gazy i czàstki, zarówno obecnie, jak i w odleg∏ej przesz∏oÊci
geologicznej. Ostatnio zainteresowa∏a go kwestia istnienia podobnych do Ziemi planet wokó∏
innych gwiazd naszej galaktyki. Jest cz∏onkiem grupy roboczej NASA, powo∏anej do przepro-
wadzenia badaƒ za pomocà umieszczonego w przestrzeni kosmicznej teleskopu Terrestrial
Planet Finder (Poszukiwacz Planet Ziemiopodobnych) przeznaczonego do wykrywania planet
wokó∏ innych gwiazd i analizowania ich atmosfer w poszukiwaniu Êladów ˝ycia.

O

AUTORZE

Mars Express Europejskiej Agencji
Kosmicznej (ESA) wskazujà na to, ˝e at-
mosfera Marsa zawiera metan w iloÊci
oko∏o 10 ppb (cz´Êci na miliard). JeÊli
zostanie to potwierdzone, obecnoÊç me-
tanu mog∏aby wskazywaç na mo˝liwoÊç
wyst´powania metanogenów pod po-
wierzchnià Marsa.

Geochemicy oceniajà, ˝e na wczesnej

Ziemi, zanim powsta∏y i rozwin´∏y si´ me-
tanogeny, koncentracja H

2

mog∏a wyno-

siç od setek do tysi´cy cz´Êci na milion.
Termodynamiczne wyliczenia wykazujà,
˝e w obecnoÊci innych istotnych sk∏adni-
ków pokarmowych, jak fosfor i azot, me-
tanogeny mog∏y zwiàzaç wi´kszoÊç H

2

w

metan (w opinii wielu badaczy fosfor w
przewa˝ajàcej cz´Êci pochodzi∏ z che-
micznego wietrzenia ska∏, a rozmaite
morskie mikroorganizmy dostarcza∏y pod
dostatkiem azotu). W takim scenariuszu
metanogeny by∏y w stanie wprowadziç
do atmosfery oko∏o 1000 ppm metanu –
wyliczonà na podstawie komputerowych
modeli iloÊç wystarczajàcà do utrzyma-
nia ciep∏a na powierzchni Ziemi.

Zbawienny smog

KOLEJNYCH DOWODÓW

pierwotnej domina-

cji metanogenów dostarczy∏y przepro-
wadzone przez mikrobiologów badania,
w jaki sposób reagujà na goràcy klimat
obecni przedstawiciele tej grupy. Otó˝
wi´kszoÊç metanogenów rozwija si´ naj-
lepiej w temperaturze powy˝ej 40ºC; nie-
które preferujà nawet 85ºC. Wy˝sza tem-
peratura stymuluje ich rozmna˝anie si´,
a zatem w miar´ jak narastajàcy efekt
cieplarniany podnosi∏ temperatur´ po-
wierzchni planety, zwi´ksza∏ si´ udzia∏
tych wyspecjalizowanych ciep∏olubnych
form. Gdy zdominowa∏y one populacj´
metanogenów, coraz wi´cej metanu ku-
mulowa∏o si´ w atmosferze, podnoszàc
temperatur´ powierzchni Ziemi do po-
ziomu wy˝szego ni˝ dziÊ, pomimo s∏ab-
szego promieniowania S∏oƒca.

Nasz glob w wyniku tego dodatniego

sprz´˝enia zwrotnego w koƒcu tak by
si´ przegrza∏, ˝e mog∏yby na nim prze-
trwaç jedynie skrajnie termofilne drob-

noustroje. Proces ten nie móg∏ jednak
trwaç w nieskoƒczonoÊç. Z chwilà, kie-
dy zawartoÊç metanu w atmosferze oka-
za∏a si´ wi´ksza ni˝ CO

2

, inaczej reago-

wa∏ on na Êwiat∏o s∏oneczne. Zamiast
utleniaç si´ do CO lub CO

2

, jego czà-

steczki zacz´∏y si´ polimeryzowaç, czy-
li ∏àczyç w ∏aƒcuchy do postaci z∏o˝o-
nych w´glowodorów, które nast´pnie
ulega∏y kondensacji, tworzàc organicz-
nà mg∏´, podobnà do tej, jakà obserwu-
jà planetolodzy w atmosferze najwi´k-
szego ksi´˝yca Saturna, Tytana, z∏o˝onej
g∏ównie z czàsteczkowego azotu (N

2

) z

niewielkà domieszkà metanu [ramka na
stronie obok]. Naukowcy spodziewajà
si´ uzyskaç wi´cej informacji na ten te-
mat dzi´ki sondzie NASA Cassini, która
1 lipca wesz∏a na orbit´ Saturna [patrz:
Jonathan I. Lunine „Nareszcie Saturn!”;
Âwiat Nauki, lipiec 2004].

Mo˝liwoÊç wyst´powania takiej orga-

nicznej mg∏y w atmosferze wczesnej Zie-
mi komplikuje dodatkowo naszà kli-
matycznà sag´. Powstajàc na du˝ej
wysokoÊci, dzia∏a ona odwrotnie ni˝ ga-
zy cieplarniane, które przepuszczajà
wi´kszoÊç widzialnego promieniowania
s∏onecznego, natomiast absorbujà i kieru-
jà ponownie ku Ziemi odbite promienio-
wanie podczerwone, podgrzewajàc w ten
sposób jej powierzchni´. Tymczasem wy-
soko zawieszony smog organiczny absor-
buje promieniowanie s∏oneczne i odbija
je w przestrzeƒ kosmicznà, zmniejszajàc
w ten sposób ca∏kowità iloÊç promienio-
wania dochodzàcego do powierzchni pla-
nety. Na Tytanie ten tzw. efekt antycie-
plarniany ozi´bia powierzchni´ mniej
wi´cej o 7ºC. Podobna warstwa mg∏y na
wczesnej Ziemi mog∏a tak˝e sch∏adzaç
klimat, zwi´kszajàc udzia∏ wolniej roz-
mna˝ajàcych si´ i przystosowanych do
ch∏odniejszych warunków ˝ycia metano-
genów w ca∏kowitej populacji, tym sa-
mym zmniejszajàc produkcj´ metanu. To
silne ujemne sprz´˝enie zwrotne mog∏o
stabilizowaç temperatur´ i sk∏ad atmo-
sfery Ziemi dok∏adnie na poziomie od-
powiadajàcym poczàtkowi tworzenia si´
mg∏y organicznej.

Smog wywo∏any obecnoÊcià metanu

utrzymywa∏ Ziemi´ w cieple, jednak ten
korzystny efekt nie by∏ trwa∏y. Co naj-
mniej trzykrotnie w okresie znanym ja-
ko eon proterozoiczny nastàpi∏y epoki
lodowcowe na skal´ globalnà: pierwsza
oko∏o 2.3 mld lat temu, a nast´pne 750
i 600 mln lat temu. Przyczyn tych zlo-
dowaceƒ d∏ugo nie udawa∏o si´ wyja-
Êniç, jednak hipoteza metanowa i tu do-
starcza przekonujàcych odpowiedzi.
Pierwszy z tych okresów nazwany zo-
sta∏ zlodowaceniem huroƒskim, ponie-
wa˝ pozosta∏e po nim osady sà dobrze
ods∏oni´te na pó∏noc od jeziora Huron
w po∏udniowej Kanadzie. Podobnie jak
lepiej zbadane zlodowacenia z póênego
proterozoiku zlodowacenie huroƒskie
mia∏o najwyraêniej zasi´g globalny, gdy˝
z wielu interpretacji badawczych wyni-
ka, ˝e niektóre po∏o˝one wówczas bli-
sko równika kontynenty pokrywa∏ lód.

Saga bez koƒca?

PO TYM ZIMNYM EPIZODZIE

, kiedy 2.45–

–2.2 mld lat temu stopnia∏ lód, pozosta-
∏y nagromadzenia bloków skalnych i in-
nego materia∏u naniesionego przez lodo-
wiec. W ska∏ach starszych, po∏o˝onych
pod tymi osadami lodowcowymi, wyst´-
pujà ziarna uraninitu i pirytu – mine-
ra∏ów uznawanych za oznak´ bardzo
niskiego poziomu tlenu w ówczesnej at-
mosferze. Ponad warstwami lodowco-
wymi zalega czerwony piaskowiec za-
wierajàcy hematyt – czerwony minera∏
powstajàcy w warunkach atmosfery bo-
gatej w tlen (znaleziono go tak˝e na Mar-
sie w miejscu làdowania ∏azika Oppor-
tunity; hematyt marsjaƒski ma jednak
barw´ szarà, a jego ziarna sà wi´ksze).
Po∏o˝enie tych charakterystycznych osa-
dów wskazuje na to, ˝e zlodowacenie
huroƒskie nastàpi∏o dok∏adnie w czasie,
kiedy po raz pierwszy wzrós∏ poziom at-
mosferycznego tlenu (O

2

).

Tej wyraênej koincydencji d∏ugo nie

udawa∏o si´ wyjaÊniç; jeÊli natomiast
przyjmiemy hipotez´ metanowà, to glo-
balne zlodowacenie oko∏o 2.3 mld lat
temu by∏oby naturalnà konsekwencjà

54

ÂWIAT NAUKI SIERPIE¡ 2004

Wiele metanogenów i innych beztlenowców

dominujàcych na wczesnej Ziemi wygin´∏o

podczas rewolucji tlenowej.

wzrostu poziomu tlenu. Wiele metano-
genów i innych beztlenowców, które do-
minowa∏y na Ziemi przed pojawieniem
si´ tlenu, bàdê to wygin´∏o podczas re-
wolucji tlenowej, bàdê przetrwa∏o wy-
∏àcznie w coraz bardziej kurczàcych si´
Êrodowiskach beztlenowych.

Chocia˝ brzmi to jak zakoƒczenie na-

szej sagi o metanie, byç mo˝e trwa ona
nadal. Co prawda, odtàd metan nigdy
ju˝ nie odgrywa∏ decydujàcej roli w
kszta∏towaniu klimatu, niemniej miewa∏
na niego istotny wp∏yw tak˝e w czasach
póêniejszych. W okresie póênego pro-
terozoiku na przyk∏ad, kiedy zdaniem
niektórych badaczy oceany ca∏kowicie
zamarza∏y podczas kolejnych tzw. epi-
zodów Ênie˝nej kuli ziemskiej [patrz:
Paul F. Hoffman i Daniel P. Schrag „Zie-
mia jak kula Êniegu”; Âwiat Nauki, ma-
rzec 2000].

RzeczywiÊcie, przez wi´kszoÊç prote-

rozoiku, eonu, który zakoƒczy∏ si´ oko-
∏o 600 mln lat temu, st´˝enie metanu w
atmosferze mog∏o utrzymywaç si´ na
poziomie znacznie wy˝szym od obecne-

go, jeÊli tlenu atmosferycznego by∏o
wcià˝ nieco mniej ni˝ dziÊ, g∏´biny oce-
anów zaÊ pozostawa∏y beztlenowe i za-
wiera∏y niewiele siarczanów wapnia i
magnezu, zwiàzków powszechnie wy-
st´pujàcych teraz w wodzie morskiej.
Tempo wydzielania metanu z mórz do
atmosfery mog∏o byç wówczas nawet
dziesi´ciokrotnie wy˝sze od dzisiejszego,
a jego zawartoÊç w atmosferze docho-
dzi∏aby do 100 ppm. Taki scenariusz mo-
˝e wyjaÊniç, dlaczego proterozoik przez
prawie 1.5 mld lat pozostawa∏ wolny od
lodu, mimo wcià˝ stosunkowo s∏abego
promieniowania S∏oƒca. Wraz ze wspó∏-
pracownikami doszed∏em do wniosku,
˝e ponowny wzrost zawartoÊci tlenu w
atmosferze lub rozpuszczonych w mo-
rzach siarczanów móg∏ powodowaç
kolejne epizody globalnego oblodzenia
Ziemi (Ênie˝na Ziemia) – w wyniku obni-
˝enia zawartoÊci w atmosferze metanu
jako czynnika blokujàcego wych∏odze-
nie ziemskiego globu.

Jakkolwiek ta saga o metanie rzàdzà-

cym ongiÊ Êwiatem brzmi w pe∏ni wiary-

godnie, naukowcy przyznajà, ˝e brak im
bezpoÊrednich dowodów na jej potwier-
dzenie. Definitywnego dowodu dostar-
czy∏oby oczywiÊcie znalezienie ska∏y za-
wierajàcej p´cherzyki dawnej atmosfery,
jednak na taki cud trudno liczyç. Mo˝e-
my co najwy˝ej stwierdziç, ˝e nasza hi-
poteza zgodna jest z kilkoma argumen-
tami poÊrednimi – przede wszystkim z
niskim poziomem atmosferycznego CO

2

okreÊlonym na podstawie analizy pró-
bek pobranych z pradawnych gleb oraz
momentem wystàpienia pierwszych glo-
balnych zlodowaceƒ.

Pozaziemski metan

NAWET JE

ÂLI NIGDY

nie zweryfikujemy na

Ziemi tej hipotezy, byç mo˝e uda si´
przetestowaç jà poÊrednio na podsta-
wie obserwacji podobnych do Ziemi pla-
net krà˝àcych wokó∏ innych gwiazd. Za-
równo NASA, jak i ESA planujà budow´
wielkich, umieszczonych w przestrzeni
kosmicznej teleskopów, których zada-
niem b´dzie poszukiwanie planet wiel-
koÊci Ziemi wokó∏ najbli˝szych 120

SIERPIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

55

NASA/JPL

-CAL

TECH

Smog na Tytanie

KSI¢˚YC SATURNA, Tytan, zawdzi´cza swoje charaktery-
styczne pomaraƒczowe zabarwienie g´stej warstwie
drobinek w´glowodorów powstajàcych w gór-
nej strefie jego atmosfery w wyniku rozk∏a-
du metanu przez promieniowanie s∏onecz-
ne. Badacze przypuszczajà, ˝e podobna
mgie∏ka spowija∏a Ziemi´ przed
2.3 mld lat. Jednak szcz´Êliwie dla
pierwszych mieszkaƒców naszej
planety na tym podobieƒstwo si´
koƒczy.

Atmosfera Tytana o temperatu-

rze –179ºC jest znacznie zimniej-
sza ni˝ kiedykolwiek atmosfera
Ziemi. Na Ziemi warstwa organicz-
nej mg∏y gruboÊci podobnej do tej
na Tytanie odbi∏aby dostatecznie
du˝o Êwiat∏a s∏onecznego potrzeb-
nego do zrównowa˝enia ocieplajàce-
go efektu metanu – gazu wywo∏ujàcego
efekt cieplarniany. Powierzchnia plane-
ty uleg∏aby trwa∏emu zamro˝eniu, niszczàc
jednokomórkowe mikroorganizmy produkujà-
ce metan.

Badacze przypuszczajà, ˝e mgie∏ka na Tytanie jest tak

gruba, poniewa˝ gazowy metan dostarczany jest stale z rozleg∏ego oce-
anu ciek∏ego metanu, azotu i etanu. Drobnoustroje na wczesnej Ziemi
wydziela∏y tylko umiarkowane iloÊci tego gazu, dzi´ki czemu warstwa
mg∏y organicznej by∏a stosunkowo cienka.

Niedobór metanu na wczesnej Ziemi by∏ zrekompenso-

wany ditlenkiem w´gla i ciek∏à wodà – dwoma sk∏ad-

nikami, dzi´ki którym mo˝liwe by∏o powstanie

˝ycia. Poniewa˝ badacze nie widzà na Ty-

tanie Êladów tych substancji, wniosku-

jà, ˝e ˝ycie w znanej nam postaci nie

mog∏o tam powstaç. Nie oznacza to

jednak, ˝e ten najwi´kszy ksi´˝yc

Saturna nie mo˝e nam czegoÊ

powiedzieç o procesach rozwoju

˝ycia.

Wi´kszoÊç procesów chemicz-

nych zachodzàcych w atmosferze

Tytana wyst´powa∏a tak˝e na

wczesnej Ziemi. Europejska Agen-

cja Kosmiczna planuje przetesto-

waç t´ hipotez´ za pomocà prób-

nika Huygens, który w lipcu dotar∏

do Saturna na pok∏adzie sondy NASA,

Cassini. JeÊli w przysz∏ym roku próbni-

kowi uda si´ wejÊç w atmosfer´ Tytana,

naukowcy otrzymajà po raz pierwszy bez-

poÊrednie informacje, czym jest smog pocho-

dzenia metanowego. Obserwacje takie mogà do-

starczyç przes∏anek do odpowiedzi na pytanie, jak Ziemia

utrzymywa∏a równowag´ pomi´dzy ozi´biajàcà klimat mg∏à
organicznà a wywo∏anym przez metan efektem cieplarnia-
nym, który umo˝liwia∏ przetrwanie na niej ˝ycia przez ponad
miliard lat.

gwiazd. JeÊli takie planety faktycznie
zostanà odkryte, to owe kosmiczne misje
– Terrestrial Planet Finder (Poszuki-
wacz Planet Ziemiopodobnych) NASA
i Darwin ESA – b´dà w stanie doko-
naç analizy ich atmosfery w poszukiwa-
niu gazów wskazujàcych na obecnoÊç
˝ycia.

Tlen w wi´kszych iloÊciach b´dzie nie-

wàtpliwie oznakà procesów biologicz-
nych zachodzàcych na podobnà skal´
jak obecnie na Ziemi, pod warunkiem
˝e planeta pokryta jest tak˝e niezb´dnà

do ˝ycia wodà w stanie ciek∏ym. Na
obecnoÊç jakichÊ form ˝ycia mo˝e tak˝e
wskazywaç podwy˝szona zawartoÊç me-
tanu, poniewa˝ dla temperatur rz´du
Êredniej temperatury powierzchni Ziemi
nie znamy innych ni˝ organizmy ˝ywe
mechanizmów, które prowadzi∏yby do
produkowania metanu w znacznych ilo-
Êciach. Odkrycie metanu na innych cia-
∏ach planetarnych sta∏oby si´ dla na-
ukowców wyÊmienità okazjà, by poznaç
naszà w∏asnà planet´ w najwczeÊniej-
szym okresie jej dziejów.

n

Methane-Rich Proterozoic Atmosphere? Alexander A. Pavlov, Matthew T. Hurtgen, James F. Ka-

sting i Michael A. Arthur; Geology, tom 31, nr 1, s. 87-90, I/2003.

Life and the Evolution of Earth’s Atmosphere. James F. Kasting i Janet L. Siefert; Science, tom

296, s. 1066-1068, 10 V 2002.

Greenhouse Warming by CH

4

in the Atmosphere of Early Earth. Alexander A. Pavlov, James F. Ka-

sting, Lisa L. Brown, Kathy A. Rages i Richard Freedman; Journal of Geophysical Research – Pla-
nets, tom 105, nr E5, s. 11981-11990; V/2000.

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

KOMENTARZ T¸UMACZA

James F. Kasting i jego wspó∏pracownicy zak∏adajà, g∏ównie bioràc pod uwag´ brak
syderytu (FeCO

3

) w kopalnych glebach wczesnego prekambru, ˝e koncentracja CO

2

w

atmosferze Ziemi u zarania jej dziejów by∏a zbyt niska, aby wywo∏aç efekt cieplarnia-
ny kompensujàcy ówczesne s∏abe promieniowanie S∏oƒca. Ostatnie doniesienia nie
potwierdzajà jednak tej tezy. Wyniki badaƒ wykonanych przez Hiroshiego Ohmota i
jego zespó∏ z Astrobiology Research Center w NASA i Department of Geosciences
Pennsylvania State University, opublikowane 27 maja tego roku na ∏amach Nature,
wskazujà, ˝e brak syderytu w kopalnych glebach wczesnego prekambru (przed oko-
∏o 2.2 mld lat) nie musi wcale oznaczaç zbyt niskiej do wytworzenia odpowiednie-
go efektu cieplarnianego koncentracji CO

2

w atmosferze. Zdaniem Ohmota i jego

wspó∏pracowników brak syderytu w glebach wczesnego prekambru spowodowany
by∏ obecnoÊcià O

2

w atmosferze, a tak˝e wy˝szymi wartoÊciami pH, sprzyjajàcymi po-

wstawaniu minera∏ów ˝elaza wzbogaconych w Fe

3+

, na przyk∏ad getytu. Natomiast

syderyt by∏ w tym czasie masowo wytràcany w beztlenowych strefach mórz, gdzie
anaerobowe mikroorganizmy wytwarza∏y Êrodowisko bogate w H

2

. ObfitoÊç tego mi-

nera∏u w osadach morskich starszych ni˝ 1.8 mld lat i pomierzone w nim stosunki
trwa∏ych izotopów w´gla (

d

13

C) dowodzà, ˝e st´˝enie atmosferycznego CO

2

by∏o po-

nad stokrotnie wy˝sze ni˝ dziÊ, co musia∏o zwi´kszaç kwasowoÊç wód opadowych i
oceanicznych. Tak znaczna koncentracja CO

2

w atmosferze zupe∏nie wystarcza∏a do

wywo∏ania efektu cieplarnianego, który bez dodatku metanu móg∏ utrzymaç ciek∏y
ocean na wczesnej Ziemi.

Propozycje zespo∏u Ohmota poparli geolodzy duƒscy, Minik T. Rosing i Robert Frei

z Duƒskiego OÊrodka Badaƒ Litosfery w Kopenhadze, publikujàc równie˝ w tym ro-
ku wyniki badaƒ zmetamorfizowanych ∏upków zachodniej Grenlandii sprzed po-
nad 3.7 mld lat (Earth and Planetary Science Letters, tom 217, s. 237–244). Ska∏y
te zawierajà oko∏o 0.4% zredukowanego w´gla, w którym zmierzono stosunek jego
trwa∏ych izotopów (

d

13

C). Wynik tego pomiaru – 25.6‰ (pomiar w standardzie PDB,

PeeDeeBelemnite) – wskazuje na biologiczne pochodzenie w´gla. Natomiast wysoki sto-
sunek U/Th w tych samych ∏upkach Êwiadczy, ˝e uran przed osadzeniem na dnie mo-
rza przebywa∏ w formie roztworu w Êrodowisku wodnym zawierajàcym tlen. Produk-
cja znacznej biomasy silnie wzbogaconej w lekki izotop

12

C i dowód na tlenowe

Êrodowisko sedymentacji razem wzi´te sugerujà mo˝liwoÊç istnienia przed 3.7 mld
lat oksygenowej fotosyntezy. By∏by to jeszcze jeden argument przeciwko modelowi
beztlenowej wczesnej Ziemi proponowanemu w artykule Kastinga.

prof. dr hab.

JÓZEF KAèMIERCZAK

,

Instytut Paleobiologii PAN

w sprzeda˝y

wysy∏kowej

za zaliczeniem pocztowym

w cenie 26,90 z∏

(w tym 22% VAT)

Z A M Ó W I E N I A

Te l e f o n i c z n i e

:

bezp∏atna infolinia 0-800-220-555

(pon.-pt. w godz. 8-16)

L i s t o w n i e

:

Wysy∏kownia WSiP S.A.,

Centrum Dystrybucji,

Kopytów 44a, 05-870 B∏onie

26,90 z∏