Toen de aarde leefbaar werd: de zuurstofrevolutie

De sfeer aan vroege aarde was heel anders dan wat we vandaag hebben. Er wordt gedacht dat de eerste atmosfeer van de aarde bestond uit waterstof en helium, net als de gasplaneten en de zon. Na miljoenen jaren van vulkaanuitbarstingen en andere interne aardprocessen, ontstond de tweede atmosfeer. Deze atmosfeer zat vol broeikasgassen zoals koolstofdioxide, zwaveldioxide en bevatte ook andere soorten dampen en gassen zoals waterdamp en, in mindere mate, ammoniak en methaan.

Deze combinatie van gassen was voor de meeste levensvormen zeer onherbergzaam. Hoewel er veel theorieën zijn, zoals de Primordiale soeptheorie, Hydrothermal Vent Theory, en de Panspermia-theorie van hoe het leven op aarde begon, is het zeker dat de eerste organismen die de aarde bewoonden geen zuurstof nodig hadden, omdat er geen vrije zuurstof in de atmosfeer was. De meeste wetenschappers zijn het erover eens dat de bouwstenen van het leven zich niet hadden kunnen vormen als er op dat moment zuurstof in de atmosfeer was geweest.

Planten en andere autotrofe organismen zouden echter gedijen in een atmosfeer gevuld met koolstofdioxide. Kooldioxide is een van de belangrijkste reactanten die daarvoor nodig zijn fotosynthese optreden. Met koolstofdioxide en water kan een autotrof een koolhydraat produceren voor energie en zuurstof als afval. Nadat veel planten op aarde waren geëvolueerd, was er een overvloed aan zuurstof die vrij in de atmosfeer zweefde. Er wordt verondersteld dat geen enkel levend wezen op aarde in die tijd zuurstof gebruikte. In feite was de overvloed aan zuurstof giftig voor sommige autotrofen en stierven ze uit.

Hoewel zuurstofgas niet rechtstreeks door levende wezens kon worden gebruikt, was zuurstof in die tijd niet allemaal slecht voor deze organismen. Zuurstofgas dreef naar de top van de atmosfeer waar het werd blootgesteld aan ultraviolette stralen van de zon. Die UV-stralen splitsten de diatomaire zuurstofmoleculen en hielpen bij het creëren van ozon, dat bestaat uit drie zuurstofatomen die covalent aan elkaar zijn gebonden. De ozonlaag hielp voorkomen dat sommige van de UV-stralen de aarde bereikten. Dit maakte het voor het leven veiliger om op het land te koloniseren zonder vatbaar te zijn voor die schadelijke stralen. Voordat de ozonlaag zich vormde, moest het leven in de oceanen blijven waar het werd beschermd tegen de harde hitte en straling.

Met een beschermende laag ozon om ze te bedekken en veel zuurstofgas om te ademen, konden heterotrofen evolueren. De eerste consumenten die verschenen waren eenvoudige herbivoren die de planten konden eten die de zuurstofrijke atmosfeer overleefden. Omdat zuurstof zo overvloedig was in deze vroege stadia van landkolonisatie, groeiden veel van de voorouders van de soort die we tegenwoordig kennen tot enorme afmetingen. Er zijn aanwijzingen dat sommige soorten insecten zo groot zijn geworden als sommige van de grotere soorten vogels.

Er zouden dan meer heterotrofen kunnen evolueren omdat er meer voedselbronnen waren. Deze heterotrofen lieten kooldioxide vrij als afvalproduct van hun cellulaire ademhaling. Het geven en nemen van de autotrofen en heterotrofen waren in staat om het zuurstof- en kooldioxidegehalte in de atmosfeer stabiel te houden. Dit geven en nemen gaat vandaag door.