Khoảng 21% bầu khí quyển của Trái đất được tạo thành từ oxy. Tuy nhiên để có được trạng thái oxy mà con người có thể thở được như hiện nay, bầu khí quyển của chúng ta đã phải trải qua một thời gian dài để phát triển. Cách đây khoảng 4,6 tỷ năm, hỗn hợp các loại khí đầu tiên tạo thành một lớp dày xung quanh hành tinh của chúng ta tương tự như loại khí thải ra từ núi lửa, chẳng hạn như mêtan, hydro sunfua và carbon dioxide.
Đó là những thời điểm với những biến động lớn, khi trong lòng Trái Đất bị khuấy đảo bởi các vật liệu dễ bay hơi, những va chạm không ngừng mang lại nguồn cung cấp vật chất mới liên tục cho Hệ Mặt Trời. Dòng khoáng chất ổn định từ trong không gian rơi xuống cũng cung cấp nhiều nito hơn ở dạng amoniac.
Oxy xuất hiện trong bầu khí quyển của Trái đất khi nào?
Các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn rằng trận mưa khoáng ban đầu cung cấp bao nhiêu nitơ cho hành tinh của chúng ta. Tuy nhiên khoảng 4,3 tỷ năm trước, các điều kiện địa ngục của Trái đất cuối cùng cũng bắt đầu nguội dần. Thời gian tích tụ các vùng nước cũng đủ lâu để tạo ra các phản ứng địa hóa, tiền thân cho các hiện tượng hóa sinh, tạo ra bầu khí quyền dày đặc cho hành tính của chúng ta, chủ yếu từ carbon dioxide và nitơ.
Hoạt động núi lửa cũng làm bốc lên những luồng khí oxy nhưng nó đã chuyển hóa thành các dạng khí khác ngay sau đó, cho nên trong khoảng 1 tỷ năm đầu tiên Trái Đất gần như không có oxy.
Sự kiện oxy hóa lớn trên Trái Đất xảy ra như thế nào?
Trái Đất của chúng ta đã có những nỗ lực đầu tiên trong lĩnh vực sinh học nhằm lấy năng lượng, kết hợp và giữ một nhóm phân tử lại với nhau và tái sử dụng nó để xây dựng các vật liệu hữu cơ. Trong hàng trăm triệu năm hình thành Trái Đất, đã có những thời điểm mà cơ chế thu năng lượng do ánh sáng mặt trời cung cấp từ một số chất hóa học nhất định đã được bắt đầu. Về mặt kỹ thuật nó là sự quang hợp, nhưng nó không để lại lượng oxy dư thừa.
Có thể sự đa dạng về các sự kiện quang hợp tạo oxy này đã bắt nguồn từ khoảng 3 tỷ năm trước, hoặc sớm hơn. Hệ thống quang học này đã thúc đẩy sự hình thành các vi sinh vật nguyên thủy, cho phép chúng tái kết hợp carbon dioxide và nước để tạo thành các khối mới cần thiết cho sự sống, kèm theo một nguồn năng lượng dồi dào.
Mặc dù qua hàng trăm triệu năm khí oxy “sôi sục” qua các đạo đại dương trên hành tinh, nhưng bầu khí quyển của chúng ta vẫn chưa có nhiều thay đổi. Lý do đằng sau sự thiếu oxy được giải thích là do những cơn mưa thiên thạch trượt qua bầu trời đã để lại các loại khí dễ bay hơi dễ dàng phản ứng với các vết nhỏ nhất của oxy phân tử. Tuy nhiên, dù sự hình thành diễn ra chậm, thì khí oxy nhỏ giọt cũng đã được tích tụ ở mức đáng kể, dẫn đến Sự kiện oxy hóa lớn.
Oxy có phải là một thứ tốt cho sự sống trên Trái đất?
Trên lý thuyết hóa học, oxy là một nguyên tố phản ứng khá mạnh. Ngày nay, chúng ta có các enzym chuyên biệt để hạn chế tối đa những tác hại mà oxy tự do có thể gây ra cho các phân tử hữu cơ mỏng manh hơn, chẳng hạn như DNA. Vì vậy, có thể khẳng định rằng, các sinh vật ban đầu đã có sự thích nghi rất tốt để đối phó với sự thiếu oxy, nếu không chúng sẽ chết hàng loạt.
Những nghiên cứu về đồng vị bị chôn vùi trong các khoáng chất khoảng 2 tỷ năm tuổi cho thấy nồng độ oxy giảm xuống khi carbon vị cô lập trong các vi khuẩn. Tuy nhiên, việc giải thích về những tài liệu cổ này được cho là không chính xác, các nghiên cứu khác đã đặt các câu hỏi giả định, cho thấy sự sụt giảm oxy có thể không đến từ những tổn thất về sinh mạng.
Một cột mốc đáng nhớ, vào khoảng 600 triệu năm trước, nồng độ oxy phân tử trong bầu khí quyển của chúng ta cuối cùng đã đạt khoảng 21%. Khá trùng hợp là giai đoạn lịch sử này cũng ghi nhận sự xuất hiện phức tạp của hệ sinh vật. Vẫn khó để khẳng định về vai trò của oxy vào thời điểm đó. Ngày nay, oxy là phương tiện cần để giải phóng một nguồn cung cấp lớn từ năng lượng từ các hydrocacbon – nhiên liệu hoàn hảo cho sự di chuyển cho sinh vật đa bào hiện đại.
Liệu Trái đất có bao giờ mất oxy?
Khi Mặt Trời còn chiếu sáng, thực vật còn nở hoa, và quá trình quang hợp diễn ra mạnh mẽ thì hành tinh của chúng ta sẽ vẫn luôn duy trì một lượng oxy nhất định trong bầu khí quyển. Tuy nhiên, sự cân bằng này sẽ không bao giờ là vĩnh viễn. Theo các nhà khoa học dự đoán, khoảng 1 tỷ năm nữa, bức xạ mặt trời sẽ đủ mạnh để tách carbon dioxide ra. Nếu không đủ khí, quá trình quang hợp sẽ bị kìm hãm, kéo theo sự giảm sút oxy đáng kể.
