Urtidens have og atmosfære pulsede i takt i 200 mio. år

Hvis man forstår at kigge de rigtige steder – og har teknikkerne til det - gemmer Jordens ældste sten og klipper på mange indsigter i Jordens fortid og udvikling.

Det ved ph.d.-studerende i geokemi Kasper Primdahl Olesen fra Biologisk Institut noget om: Han har været med til at analysere sedimenter fra Transvaal i Sydafrika, der i Jordens ungdom var havbund. Det har bidraget til et nyt indblik i den afgørende periode af Jordens udvikling, hvor atmosfæren og havene kom til at indeholde så meget ilt, at komplekst liv kunne udvikle sig.

Analyserne er del af et studie, ledet af adjunkt Chadlin Ostrander fra Department of Geology and Geophysics på University of Utah og publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature. Øvrige forskere bag studiet er fra Woods Hole Oceanographic Institution, University of California, University of Johannesburg, University of Leeds og Université de Lorraine.

Første liv på Jorden

Det første liv på Jorden opstod for ca. 3,8 mia. år siden. Det var dog langt fra det liv, vi kender i dag og udgjordes af simple, encellede organismer, der levede i en iltfri verden.

Videnskaben har længe vidst, at ét skifte var afgørende for, at komplekst liv kunne udvikle sig: Der kom tilstrækkeligt med ilt i Jordens atmosfære. Forskere har traditionelt kaldt dette skifte for The Great Oxidation Event, men der var ikke tale om en enkeltstående begivenhed i atmosfæren, fastslår forskerne i deres nye studie.

I stedet foregik iltningen over en lang periode på ca. 200 mio. år, den foregik i bølger, og den foregik også i havene.

Bølger af ilt i hav og atmosfære

- Vores studie viser, at der var en nøje sammenhæng mellem iltning af atmosfæren og iltning af oceanerne. Både atmosfæren og oceanerne gennemgik flere bølger af iltning og afiltning over en periode på 200 millioner år, og det foregik synkront. Nøgleordet er her synkront. Når ilten forsvandt fra atmosfæren, forsvandt den også fra havet – og omvendt, siger Kasper Primdahl Olesen og fortsætter:

- Det er fundamental ny viden, fordi vi ikke tidligere har haft mulighed for at bestemme iltindholdet og iltningsmønstre i havene i denne periode af Jordens historie. Det er ny viden, som bidrager mærkbart til vores forståelse af en hel central begivenhed for udviklingen af flercellet liv.

Efter flere bølger af iltninger og afiltninger nåede iltindholdet til sidst den tærskel, som gjorde det muligt for komplekst liv at udvikle sig.

Ilten i havet og atmosfæren fulgtes ad

Forskerne er nået frem til deres resultat ved at analysere thallium-isotoper fra Transvaal-sedimenterne. Thallium er et tungmetal, som findes i forskellige varianter, kaldet isotoper. Forskerholdet fandt berigelser af en thalliium-isotop i sedimenterne fra Transvaal, og eftersom thalliums isotoper påvirkes, når mangan ilter på havbunden, kan isotoperne sige noget om iltindholdet i det hav, som Transvaal-sedimenterne engang aflejredes i. Disse analyser fortæller altså forskerne, at der i perioder blev akkumuleret ilt globalt i havvandet og i perioder ikke.

To af studiets medforfattere, Simon Poulton fra University of Leeds og Andrey Bekker fra University of California, har tidligere sammen med professor Don Canfield fra Biologisk Institut foretaget lignende analyser af svovl-isotoper, som på lignende vis sagde noget om iltindholdet i atmosfæren. Også de viste, at koncentrationen af ilt i atmosfæren gik op og ned i ca. 200 mio. år, inden en tærskel blev nået, og atmosfærens indhold af ilt nåede et niveau, der tillod udviklingen af komplekst liv.

Da forskerholdet sammenholdt resultaterne af deres thallium- og svovl-isotoper så de, at iltning og afiltning af have og atmosfære fulgtes ad.

Iltbalancens tipping point

De første livsformer på Jorden opstod sandsynligvis i havet, og det skete længe før, livet udviklede sig på landjorden. Dengang levede der cyanobakterier i havet, som ved fotosyntese producerede ilt, men meget af den ilt forsvandt i reaktion med mineraler på landjorden og vulkanske gasser, og derfor fandt kun ganske lidt vej til atmosfæren.

I perioder kunne der opstå ”ilt-oaser”, som forskerne kalder dem, i begrænsede dele af havenes overfladevand. Men de blev flere gange udtømt for ilt, uden at det førte til ilt-akkumulering i atmosfæren.

Med tiden producerede cyanobakterierne mere ilt, end mineraler og vulkanske gasser kunne optage, og det førte til det tipping point i Jordens ilt-balance, der gav os de iltholdige oceaner og atmosfære, som vi har i dag.

Studiet er støttet af NASA Exobiology, WHOI Postdoctoral Scholarship program og Petroleum Foundation of the American Chemical Society.