Varajane elu Maal – vastus peitub soolades

Settekivimid kui aja aknad

Kõik organismid mõjutavad elutegevuse käigus oma vahetut keskkonda ning aineringeid. Nende mitmekesisus ja evolutsioon on omakorda tihedalt seotud atmosfääri ja ookeani keemilise koostisega, mis määravad erinevate eluks vajalike elementide kättesaadavuse. Selline tihe seos elus ja eluta looduse vahel väljendub füüsikaliste (nt jälg- või kehafossiilid) kui ka keemiliste signaalidena, mis võivad säilida erinevates mineraalides ja settekivimites.

Tänu sellele on settekivimid kui aja aknad, mis on salvestanud informatsiooni geoloogilisest minevikust ja täiendanud meie arusaama Maa varajasest arengust. Geoloogide töö tulemusel on kujunenud arusaam Maa varajasest ajaloost, mida ilmestavad mitmed keskkonnamuutused. Samas vaid vähesed on olnud nii ulatuslikud, nagu nn Suur Hapnikusündmus, mis muutis jäädavalt nii elus kui ka eluta looduse edasist arengut. 

Hapnikuvaene atmosfäär ja hapnikuoaasid

Arhaikumi ja Paleoproterosoikumi alguse settekivimitest on leitud püriidi (FeS₂) ja uraniniidi (UO₂) teri, mis on ümardunud pika transpordi käigus. Samas on teada, et hapnikurikastes oludes need mineraalid muutuvad ebastabiilseks ning lagunevad. Sellised leiud koos väävli stabiilsete isotoopide uuringutega annavad alust uskuda, et ajaperioodi 4–2,5 miljardit aastat tagasi pidid Maal valitsema äärmiselt hapnikuvaesed keskkonnatingimused. Hapniku sisaldus atmosfääris oli tänapäevasega võrreldes keskmiselt 100 000 korda väiksem. Samas viitavad mitmete jälgelementide (nt molübdeeni) sisaldused ja isotoopide uuringud nn hapnikuoaaside olemasolule, kus oli hapniku sisaldus ülejäänud atmosfäärist märksa kõrgem (joonis 1).

Hapnik on kõrge energeetilise väärtusega molekul, ilma milleta hulkraksete loomade elutegevus on pärsitud. Arhaikumi hapnikuvaestes keskkondades pidid organismid kasutama energia allikana näiteks rauda, vesiniksulfiidi või molekulaarset vesinikku, mis ei anna pooltki nii palju energiat. Seetõttu suutsid elus püsida vaid väikese energianõudlusega kohastunud mikroorganismid, domineerides nii ka Paleoproterosoikumi ökosüsteemides.  

Esimene hapnik kulus roostele

Tänaseks on selgunud, et fotosünteesivad bakterid, kes oma elutegevuse kõrvalproduktina toodavad hapnikku, eksisteerisid juba ~2,7 miljardit aastat tagasi. Vaatamata hapniku produktsioonile, kulus siiski aega, enne kui biogeenne hapnik hakkas atmosfääri kogunema, sest keemilised reaktsioonid tarbisid suurema osa vabanenud hapnikust. Näiteks tekkisid Paleoproterosoikumi alguses (2,5 mld a tagasi) oksüdeerunud kontinentaalsed setted, mida iseloomustab punane värvus (oksüdeerunud ehk „roostetanud“ raud), andes tunnistust hapnikurikkast murenemisest (joonis 2). Seega tõusis alles sadu miljoneid aastaid pärast fotosünteesi käivitumist vaba hapniku tase atmosfääris ~1%-ni tänapäevasest.

Suur Hapnikusündmus

Täna arvatakse, et nn Suur Hapnikusündmus toimus ~2,4 miljardit aastat tagasi, mil hakkasid levima oksüdeerunud kontinentaalsed setted. Jäädavalt kadusid settekivimitest püriidi ja uraniniidi ümardunud terad ning massist sõltumatu väävli isotoopide signaal. Intensiivsem erosioon tõi endaga kaasa mineraalidesse seotud eluks vajalike mikro- ja makrotoitainete vabanemise. See hoogustas omakorda mikroorganismide elutegevust ning muutis oluliselt ökosüsteemide kooslust. Mikroorganismid jäid domineerima veel sadadeks miljoniteks aastateks ning hulkraksete loomade mitmekesistumine ja laiem levik leidis aset alles Kambriumi plahvatuse ajal. Vaatamata atmosfääri ja ookeanide hapnikuga küllastumisele ning sellega kaasnenud ulatuslikule ökosüsteemide ümberkorraldumisele, tõstatab niivõrd aeglane hulkraksete loomade evolutsioon küsimusi Suure Hapnikusündmuse täpse loomuse ja ulatuse kohta. Rahvusvahelise koostöö tulemusena, millesse on kaasatud mitmed eesti geoloogid, on jõutud sammu võrra lähemale selle Maa ajaloo võib-olla tähtsaima sündmuse kirjeldamisele. 

Maailma vanim soolalade

Aastatel 2007–2009 teostasid vene geoloogid Onega järve lähistel geofüüsikalisi uuringuid, mille raames puuriti 3,5 km sügavune süvapuurauk. Kõigile üllatusena jõuti pärast kahte kilomeetrit puurimist soolalademeteni. Ümberkaudsed sama vanusega kivimid sisaldasid küll hulgaliselt kipsi ja haliidi pseudomorfoose (mineraali kristalne väliskuju vastab algsele mineraalile, mis on hiljem asendunud vastupidavama mineraaliga), mis viitasid evaporiitide olemasolule, kuid keegi ei osanud ette näha massiivsest soolaladet. See unikaalne ~2 miljardi aasta vanune ja ~800 m paksune evaporiitne läbilõige moodustus pea miljard aastat enne seni teadaolevaid vanimaid soolalademeid (1,2 ja 0,83 mld a vanad). Selline geoloogiline leid jutustab väga kindlast settekeskkonnast, mis omakorda võib tõestada või ümber lükata Suure Hapnikusündmusega kaasnenud arvatavate keskkonnamuutuste ulatuse.

Mis on evaporiit?

Evaporiidid on settekivimid/mineraalid (soolad), mis kristalliseeruvad välja soolasest veest aurumise tulemusena. Evaporiidid tekivad piirkondades, kus aurumine ületab sademete hulga ning viimaste olemasolu viitab väga kindlatele keskkonnatingimustele. Üldiselt moodustuvad paksud soolalademed piiratud ühendusega merelistes keskkondades, nt laguunides ja sabkhades, kus kliima on kuiv ja soe (joonis 4). Kuigi ka siseveekogudes ning jahedas kliimas võivad moodustuda evaporiitsed mineraalid, kui sademeid on väga vähe.

Geoloogilises ajaskaalas võivad evaporiitsed kivimid tekkida väga kiirelt, näiteks 100 m paksune läbilõige võib moodustuda soodsatel tingimustel juba tuhande aastaga. Hetkel teadaolevatest läbilõigetest on üks paksemaid Messiniani evaporiidid (vanus 7,2–5,3 miljonit aastat), mille läbilõike paksus ületab 2 km. Arvatakse, et selle settimiseks kulus vähem kui 200 000 aastat (näide joonis 5). Lihtsa arvutusega saab näidata, et kui 1000-meetrisest veesambast tekib 14–15 m sooli, siis kogu Vahemere aurustumisel moodustuks keskmiselt 60 m paksune evaporiitide kiht. Oluline on seejuures märkida, et vaatamata soolade kiirele settimisele, säilivad need kergesti lahustuvad kivimid geoloogilistes läbilõigetes harva, muutes Karjalast leitud iidsed soolad veelgi ainulaadsemaks.

Evaporiitide reegel

Merevee aurustumisel kristalliseeruvad evaporiitsed mineraalid kindlas järjekorras. Näiteks kui võtta ämbritäis tänapäevast 3,5% soolsusega ookeanivett, mis sisaldab peamiselt lahustunud Cl^-, Na⁺, Mg²⁺, SO₄^2-, Ca²⁺ ja K⁺ ioone, siis pärast poole pangetäie vee aurustumist hakkavad esmalt moodustuma karbonaatsed mineraalid. Sellele järgneb anhüdriit/kips (CaSO₄/CaSO₄*2H₂O) ja kui vaid 10% vett on jäänud, siis haliit ehk kivisool (NaCl) (joonis 6). Kõige lõpus, kui esialgsest veekogusest on alles jäänud vaid 5%, moodustuvad magneesium- ja kaaliumsoolad (nt KCl, MgSO₄·KCl·3H₂O ja KMgCl₃·6H₂O).

Ookeanivee soolsus on geoloogilises ajas muutunud, mis on omakorda mõjutanud ka tekkinud mineraalide järjestust ja kontsentratsioone. Näiteks valdavalt hapnikuvaestes Arhaikumi ja Paleoproterosoikumi alguse meredes olid sulfaadi kontsentratsioonid madalad ning evaporiitsetes keskkondades settis pärast karbonaate haliit, mitte kips. Seega evaporiitsed läbilõiked kannavad endas kõige otsesemat informatsiooni nende tekkeaegse merevee ja kaudselt ka atmosfääri koostise kohta.

Karjala sool tekitab elevust

Karjalast avastatud soolalademed tekitasid seega suurt elevust teadusringkondades ning 2014. aastal võimaldati rahvusvahelisel teadlasterühmal (Eesti, Norra, Šotimaa ja USA) koostöös kohalike Venemaa teadlastega ligipääs antud unikaalsele materjalile (joonis 7). Viljaka koostöö tulemusena avaldati 22.03.2018 ajakirjas Science artikkel, milles näidatakse, et 2 miljardit aastat tagasi pidi merevee sulfaadi kontsentratsioon ulatuma vähemalt kolmandikuni tänapäevasest, mis omakorda viitab seni arvatust tunduvalt kõrgemale hapnikutasemele atmosfääris.

Nagu eelpool mainitud, varieerub evaporiitide mineraloogia üpris reeglipäraselt, mida kontrollivad kaltsiumi ja sulfaadi kontsentratsioonid. Uuritud evaporiitide tekkeaegse merevee kirjeldamiseks kasutati peamiselt proovide mineraloogilist koostist ning kaltsiumi isotoope. Lihtsustatult võib kaltsiumi isotoobid jagada kergeteks ning rasketeks, mille omavaheline vahekord muutub sõltuvalt sellest, kumb isotoop seotakse eelistatult kristallstruktuuri. Esmalt kaasatakse tekkinud mineraalidesse kergemad kaltsiumi isotoobid, mida jääb merevee edasisel aurumisel üha vähemaks. Seega intensiivsel aurustumisel rikastub merevesi raskematest kaltsiumi isotoopidest, mis seejärel seotakse väljasettivate mineraalide kristallstruktuuri. Neid teadmisi kasutades saab kvantifitseerida sulfaadi sisaldust merevees.

Rakendades eelnimetatud metoodikaid Karjalast avastatud evaporiitidel, leiti, et ligikaudu 2 miljardit aastat tagasi pidi sulfaadi sisaldus ulatuma merevees vähemalt 10 mmol/kg. See on neli korda rohkem kui varem arvatud ning moodustab ühe kolmandiku tänapäevasest merevee sulfaadi tasemest. Sulfaat jõuab merevette peamiselt rauasulfiidide (enamasti püriidi) oksüdeerumisel, mis tähendab, et sel ajahetkel pidi atmosfääris olema piisavalt hapnikku, et tagada kõrge merevee sulfaadi kontsentratsioon. 

Karjala soolad ja Kambriumi plahvatus

Karjalast avastatud evaporiitne läbilõige on viinud geoloogid sammu võrra edasi seletamaks Suurt Hapnikusündmust ning sellele järgnenud geoloogilisi sündmusi. Tänaseks on üpris hästi teada ajaperiood, millal hakkas kogunema biogeenne hapnik atmosfääris, kuid puudub ühtne arusaam, kas tegemist oli äkilise, vaikselt kasvava või etapilise hapniku osakaalu suurenemisega. Rahvusvahelise teadustöö tulemusena võib üsna kindlalt väita, et vähemalt paarsada miljonit aastat pärast Suurt Hapnikusündmust oli atmosfäär hapniku- ning ookeanid sulfaadirikkad. Intrigeeriv on aga tõsiasi, et mitmeid nooremaid Proterosoikumi läbilõikeid on kasutatud näitamaks, et esialgsele hapniku tõusule järgnes suur langus, mida peetakse ka loomade arengu suureks takistuskiviks. Praeguste teadmiste juures ei ole veel selge, millised keskkonnamuutused viisid Kambriumi plahvatuseni, kuid Karjala evaporiidid on kindlasti oluline tükk selles pusles.

Loe rohkem:

• Petrology of Sedimentary rocks - Sam Boggs Jr, 2009. Cambridge University Press
• The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere - Lyons, T.W., Reinhard, C.T., Planavsky, N.J., 2014.  Nature 506, 307–315.
• Rapid oxygenation of Earth's atmosphere 2.33 billion years ago - Luo G. M., Ono, S. H., Beukes, N. J., Wang, D. T., Xie, S. C., Summons, R. E. (2016)  Science Advances 2.
• Palaeoproterozoic Supercontinents and Global Evolution - REDDY, S. M. ja EVANS, D. A. D. Geological Society, London, Special Publications, 323, 1–26.