Atmosfera ziemska składa się z dużej ilości azotu (78 procent), odrobiny tlenu (21 procent), odrobiny argonu (0, 93 procent), niewielkiej ilości dwutlenku węgla (0, 038 procent) i śladowych ilości innych gazów . Ale nie zawsze tak było. Skład gazów w atmosferze może się zmieniać (i zmienia się teraz, gdy spalamy paliwa kopalne), a zapis kopalny pokazuje, jak coś tak zwodniczo prostego jak powietrze może wpłynąć na historię życia.
Gdybyś odwiedził dzisiejszą Amerykę Północną 300 milionów lat temu, blisko końca okresu karbońskiego, powitałaby Cię bardzo nieznana scena. W krajobrazie dominowały rozległe mokradła wypełnione ogromnymi lycopods (krewniakami mchów klubowych, które dorastały do rozmiarów drzew), ziemnowodnymi kręgowcami o długości prawie 20 stóp i ogromnymi stawonogami. Meganeura, krewna ważki o rozpiętości skrzydeł większej niż dwie stopy, brzęczała w powietrzu nad gigantyczną Arthropleurą, dziewięciometrową krocionogą. Nigdy wcześniej ani od tego czasu bezkręgowce lądowe nie osiągnęły tak ogromnych rozmiarów.
Wyzwalaczem tego szalejącego gigantyzmu była szczególna, nowo wyewoluowana cecha roślin, które pod koniec poziomu karbonu podniosły poziom tlenu aż do 35 procent atmosfery. Bujne lasy równikowe wytwarzały znaczną ilość tlenu jako produkt uboczny fotosyntezy, ale samo to nie wystarczyło, aby doprowadzić tlen atmosferyczny do tak wysokiego poziomu. Przyczyną był związek chemiczny, lignina, którą rośliny wykorzystują do budowy. Bakterie tamtych czasów były tak nieefektywne w rozkładaniu ligniny w martwych roślinach, że pozostawiły po sobie ogromną ilość bogatego w węgiel materiału roślinnego, który został sekwestrowany na bagnach (i ostatecznie przekształcił się w bogate złoża węgla, które dały Karbonowi swoją nazwę) . Bakterie wykorzystują tlen, gdy rozkładają materiał bogaty w węgiel, ale lignina zapobiegała temu procesowi, dopóki bakterie nie rozwinęły zdolności do rozkładu związku. To dziwactwo biologiczne spowodowało wzrost poziomu tlenu.
Nadwyżka tlenu pozwoliła płazom, które pobierają część gazu przez skórę, oddychać wydajniej i rosnąć do większych rozmiarów. Stawonogi oddychają w inny sposób: posiadają sieć rozgałęzionych rurek zwanych tchawicami, które łączą małe otwory w egzoszkieletie bezkręgowca z komórkami, a tlen przenika przez ciało przez ten system. W atmosferze bogatej w tlen więcej tlenu można było rozproszyć przez tę rozgałęzioną sieć, co otworzyło ścieżki ewolucyjne, które pozwoliły stawonogom również wzrosnąć do gigantycznych rozmiarów. Fakt, że tlen zwiększyłby również ciśnienie powietrza, oznaczał, że duże owady latające w tamtym czasie uzyskiwały więcej siły na każde uderzenie skrzydeł, pozwalając latającym stawonogom osiągnąć rozmiary, które są strukturalnie niemożliwe dla ich współczesnych krewnych .
Podczas gdy gigantyczne stawonogi czołgały się i brzęczały, pierwsze amnioty - kręgowce podobne do jaszczurów, które zerwały połączenie z wodą dzięki zdolności do rozmnażania się przez jaja w skorupkach - również się urozmaicały. W następnym rozdziale historii Ziemi, Permie (około 299 milionów do 251 milionów lat temu), ci pierwsi krewniacy dinozaurów i ssaków dali początek różnorodnym nowym formom, wraz z krewnymi wczesnych ssaków (zwanych łącznie synapsydami), zwłaszcza zdobycie dominacji ekologicznej. Po raz pierwszy ekosystemy lądowe wspierały połączoną sieć drapieżników i roślinożerców różnej wielkości, a przed około 250 milionami lat na świecie żyło około 40 różnych rodzin lądowych kręgowców. Ale pod koniec tego okresu prawie cała ta różnorodność została zgaszona przez największą naturalną katastrofę, jaką ta planeta kiedykolwiek znała.
We wczesnych dniach paleontologii przyrodnicy wyznaczyli granice historii geologicznej przez nagłe, masowe zniknięcie niektórych gatunków z zapisu kopalnego, a następnie pojawienie się nowej, innej fauny. Nie zdawali sobie wówczas z tego sprawy, ale robili to, by powstrzymać masowe wyginięcia, a ten, który zakończył Perm, był prawdopodobnie najgorszy w historii Ziemi. Zginęło do 95 procent wszystkich znanych stworzeń morskich, podobnie jak 70 procent zwierząt lądowych. Paleontolog z Uniwersytetu w Bristolu, Michael Benton, nazwał to wydarzenie „kiedy życie prawie umarło”.
Identyfikacja zdarzenia masowego wymierania nie jest tym samym, co jego wyjaśnienie, a katastrofa pod koniec permu jest prawdopodobnie najbardziej zagadkową tajemnicą morderstwa wszechczasów. Naukowcy zaproponowali listę możliwych przyczyn wyginięcia, w tym globalne ochłodzenie, bombardowanie promieniami kosmicznymi, przesunięcia kontynentów i uderzenia asteroid, ale głównym podejrzanym wielu paleontologów są obecnie intensywne wybuchy pułapek syberyjskich, wulkany o powierzchni prawie 800 000 mil kwadratowych tego, co teraz Rosja z lawą.
Ziemia była znacznie cieplejsza pod koniec permu niż dzisiaj. Atmosfera była stosunkowo bogata w dwutlenek węgla, który napędzał świat szklarni, w którym prawie nie było lodowców. Erupcja Syberyjskich Pułapek spowodowałaby dodanie do atmosfery ogromnych ilości gazów cieplarnianych, powodując dalsze globalne ocieplenie, zwiększając kwasowość oceanów i obniżając poziomy tlenu atmosferycznego. Te drastyczne zmiany atmosfery i wynikające z nich skutki środowiskowe spowodowałyby, że wiele organizmów udusiłoby się z powodu braku tlenu, podczas gdy inne umarłyby z nadmiaru dwutlenku węgla we krwi lub w inny sposób zginęłyby, ponieważ były fizjologicznie niezdolne do poradzenia sobie z tymi nowymi warunki. Tam, gdzie kiedyś żyły bogate, różnorodne społeczności organizmów, wyginięcie pozostawiło tylko „kryzysowe” społeczności kilku gatunków, które rozmnażały się w pustych siedliskach.
Chociaż te zmiany atmosfery znacznie przycinały drzewo ewolucyjne 251 milionów lat temu, nie sprawiły, że planeta stała się niegościnna. Życie wciąż ewoluowało, a poziomy tlenu, dwutlenku węgla i innych gazów wciąż wahały się, pobudzając klimat od stanów „szklarni” do stanów „lodowni” wiele razy.
Ziemia może teraz wkraczać w nową erę cieplarnianą, ale wyjątkowe w teraźniejszości jest to, że ludzie biorą czynny udział w kształtowaniu powietrza. Apetyt na paliwa kopalne zmienia atmosferę w sposób, który zmieni klimat, dodając do mieszanki więcej dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych, a te fluktuacje mogą mieć poważne konsekwencje zarówno dla wyginięcia, jak i ewolucji.
Obecne warunki na ziemi różnią się na tyle od warunków późnego permu, że podobna katastrofa jest mało prawdopodobna, ale im więcej dowiadujemy się o starożytnych klimatach, tym wyraźniejsze jest to, że nagłe zmiany atmosfery mogą być śmiertelne. Ostatnie badania prowadzone przez biogeochemik Natalię Szachową z Międzynarodowego Centrum Badań Arktycznych sugerują, że możemy zbliżyć się do punktu krytycznego, który może szybko przyspieszyć globalne ocieplenie, które już zmienia ekosystemy na całym świecie. Ogromny zapas metanu, jednego z najsilniejszych gazów cieplarnianych, leży pod wieczną zmarzliną szelfu arktycznego wschodniej Syberii. Wieczna zmarzlina działa jak zamarznięta czapka nad gazem, ale Shakhova odkryła, że czapka ma wyciek. Naukowcy nie są pewni, czy wyciek metanu jest normalny, czy też jest ostatnim produktem globalnego ocieplenia, ale jeśli obecne prognozy są prawidłowe, gdy globalny klimat się ociepli, poziom morza podniesie się i zaleje szelf arktyczny wschodniej Syberii, który stopi wieczną zmarzlinę i uwolnij jeszcze więcej gazu. W miarę wzrostu ilości gazów cieplarnianych planeta jest coraz bliżej tego i innych możliwych punktów krytycznych, które mogą spowodować gwałtowne zmiany siedlisk na całym świecie.
Być może szczególne warunki, które pozwoliły gigantycznym stawonogom latać w powietrzu złożonym z 35 procent tlenu, nigdy się nie powtórzą i możemy mieć nadzieję, że Ziemia nie powtórzy katastrofy pod koniec permu, ale sprzyjając klimatowi cieplarni naszemu gatunkowi jest aktywnie zmieniając historię życia na ziemi. Wpływ tych zmian na nas, a także na resztę światowej różnorodności biologicznej, zostanie ostatecznie odnotowany w stale powiększającym się zapisie kopalnym.
