Jordens første ilt opstod 800 millioner år tidligere end troet

Prøv lige engang at trække vejret. Ind. Ud. Du har lige benyttet dig af en lille sjat af den ilt, som omgiver os hele tiden, hver dag, alle steder – en af grundpræmisserne for vores eksistens, som vi oftest tager for givet.

Men ilt var ikke en given faktor i Jordens tidligste år. Faktisk troede man indtil for ganske nyligt, at vores 4,5 milliarder år gamle Jord først fik sin atmosfæriske ilt for 2,2 milliarder år siden. For nyligt blev forskerne klar over, at det formentlig skete allerede for mindst tre milliarder år siden.

Nu skal rettelakken findes frem igen. Med et nyt dansk studie skubbes oxygenets tilstedeværelse i atmosfæren yderligere 7-800 millioner år tilbage i tiden. Til for 3,8 milliarder år siden.

»Jeg blev selv ret chokeret, da jeg første gang så resultaterne. Det her rammer ind i en meget følsom del af videnskaben, hvor der ikke findes ret mange beviser, men til gengæld et helt videnskabeligt miljø, som ikke tror på, at der var oxygen på dette tidspunkt. Jeg har måttet kæmpe mod mange kritiske fagfæller, og det har taget mig over et år at få artiklen publiceret. Men jeg har udført meget nøje beregninger på en række prøver, og jeg føler mig overbevist om resultaterne,« siger Robert Frei, som arbejder ved Institut for Geovidenskab og Naturforvaltning på Københavns Universitet, og som er hovedforfatter på studiet.

Konklusionerne er vigtige, fordi de udvider vores forståelse af Jordens historie, lyder det fra postdoc Emma Hammarlund, som selv forsker i Jordens udvikling på Syddansk Universitet, men ikke har deltaget i det nye studie.

»Billedet er måske ikke blevet simplere, men sandheden er sjældent sort og hvid. Det er et nøje udført studie og argument,« siger hun.

Resultaterne er publiceret i Scientific Reports.

Oxygen driver evolution

Hvis man vil vide, hvornår livet opstod og udviklede sig på vores planet, er det helt centralt at vide, hvornår der kom ilt. Oxygen driver evolution.

»Det her er første gang, nogen tør sige, at Jordens atmosfære havde lave niveauer af oxygen dengang. Og det betyder, at primitive, iltkrævende livsformer faktisk kan have været tilstede. Det vil sætte en masse tanker i gang på feltet af forskere, der studerer livets evolution,« siger Robert Frei og fortsætter:

»Vi ved, at der var vand dengang, og vi ved, at oxygen kan drive evolutionen meget hurtigt fremad. Evolutionen af dyr er meget tæt forbundet med ilt, og nu er tidsmargenen for ilten skubbet endnu længere tilbage i tiden.«

Adjunkt Tais Wittchen Dahl, som ikke selv har deltaget i det nye studie, hilser de nye analyser velkomne.

»Det her er en indikation på, at der var en oxideringsproces til stede på det tidspunkt. Det er en ny linje evidens, og på den måde er det smadder stærkt. Det er meget interessant, fordi vi gerne vil finde ud af, hvornår iltproducerende fotosyntese opstod – det er toppen af fødekæden til alt liv, og uden det var vi her ikke,« siger Tais Wittchen Dahl, som arbejder ved Naturhistorisk Museum på Københavns Universitet.

De tidligste prøver, man kan få fat i

Robert Frei har undersøgt meget gamle jordaflejringer for at nå frem til sine resultater. Nu tænker du måske, at det vel bare er et spørgsmål om tid, før den næste forsker undersøger nogle ældre jordlag og sætter en dato endnu længere tilbage i tiden.

Men det kommer næppe til at ske.

For 3,8 milliarder siden blev Jorden nemlig ramt af byger af nedslag fra verdensrummet. Det store bombardement, som det kaldes, skete i en periode for omkring 3,8 til 4 milliarder år siden og smadrede alt, hvad der var at smadre på vores dengang relativt unge Jord.

»Meteoritterne ødelagde i bund og grund alt, hvad der var – hvis der var liv dengang, så blev det ødelagt, og vi kommer aldrig til at vide noget om det,« forklarer Robert Frei.

De jordaflejringer, som Robert Frei har undersøgt i sit nye studie, er netop 3,8 milliarder år gamle – med andre ord: så gamle, som det overhovedet er muligt at skaffe jordaflejringer her på vores planet.

»Det, vi har fået fingrene i, er disse første jordaflejringer, som stammer fra lige efter det tunge bombardement. Det er geologisk stabile sedimenter, der som næsten de eneste har overlevet al den tid. Jeg er sikker på, at der engang har været mange flere af dem på Jorden, men de er enten blevet ødelagt af geologiske processer igennem de mange milliarder år – eller også er de ikke blevet fundet endnu.«

Måler indirekte tilstedeværelse af oxygen

Der findes to eller tre steder på Jorden, hvor man stadig kan finde sedimenter, altså jordaflejringer, som stammer helt tilbage fra tiden lige efter det store bombardement. Det vestlige Grønland er et af dem. Det skyldes blandt andet, at det grønlandske landskab stadig er relativt uforstyrret.

I Vestgrønland har Robert Frei undersøgt såkaldte BIFs (se faktaboks), ældgamle havvands-aflejringer, som kan fortælle, hvordan kemiske elementer interagerede med hinanden for meget længe siden. BIF’erne ligger i ’bånd’, altså i en slags lag, og kan, ligesom årringene i et træ, sladre om udviklingen på et givent tidspunkt.

»De undersøger de her ældgamle aflejringer og finder ud af, at selvom de har været dybt begravede og udsatte for højt tryk i ekstremt lang tid, langt nede i jorden, så har de stadig et signal fra det oprindelige havvand,« forklarer Tais Wittchen Dahl.

Robert Frei har undersøgt BIF’ernes indhold af grundstofferne krom og uran ved hjælp af isotopmålinger – det vil sige varianter af de to stoffer. Gennem sine målinger har han kunnet påvise, at kromet i BIF’erne har en isotopsammensætning, som betyder, at det har været opløst. Forklaringen er, måske, oxygen.

»Du er nødt til at have en form for oxidering på land for at kunne mobilisere kromet. På den måde måler jeg indirekte tilstedeværelsen af oxygen,« siger Robert Frei.

Åbner op for en række nye spørgsmål

Det er »vanvittigt interessant«, at forskerne kan måle krom og uran i BIF’erne, lyder det fra Tais Wittchen Dahl. Han medgiver, at oxygen ér den letteste forklaring på kromets sammensætning – og tilstedeværelsen af uran er en indikation på det samme, fortæller han.

I studiet fremsætter Robert Frei og hans kollegaer en hypotese om, at den atmosfæriske ilt kan være dannet gennem oxiderende fotosyntese (det, vi i dag bare kalder ‘fotosyntese’ i biologitimerne) hos mikroorganismer på land.

Men hvis det er rigtigt, åbner det op for en lang række nye spørgsmål, lyder det fra Tais Wittchen Dahl.

»Oxygen er den bedste forklaring på deres målinger, som jeg ikke stiller spørgsmålstegn ved. Man skal bare huske, at der stadig er mange ting, vi ikke ved om de her systemer – for eksempel hvordan metallerne opfører sig under meget lave iltforhold – og det skal vi have styr på, for denne her fortolkning efterlader os på nuværende tidspunkt med en masse spørgsmål,« siger Tais Wittchen Dahl og fortsætter:

»Hvis der var iltproducerende fotosyntese på land, som de foreslår, hvorfor går der så halvanden milliard år, før fotosyntesen udvikler sig, når vi ved, hvor svær den er at holde tilbage i dag?«

Teoretiske betingelser for iltkrævende mikroorganismer

I studiet foreslår forskerne, at muligheden for fri ilt også kan have stillet en niche til rådighed for organismer med iltkrævende stofskifte. Hvis der fandtes nogen, som lavede ilt, så findes muligheden for, at der fandtes nogen, der brugte den, også, fortæller Emma Hammarlund.

»Resultaterne er i overensstemmelse med, at der fandtes cyanobakterier på det tidspunkt. Selvom den frie ilt må være blevet opbrugt næsten med det samme – og selvom der næppe har været nok til at skabe et stabilt niveau for en diversitet af aerobe mikrober, betyder det teoretisk set, at der har været betingelser for iltkrævende organismer på mikroskala. Men i netop det scenario, forskerne beskriver, vil det have krævet, at disse organismer har boet lige ved siden af den organisme, der lavede fotosyntesen,« siger Emma Hammerlund og fortsætter:

»Det ér muligt, men man må sige, at sådant lokalt, lavt og kortlivet oxygen, som i dette scenario, sandsynligvis ikke har udgjort et pålideligt miljø for aerobe organismer.«

Tais Wittchen Dahl bakker op: »Der kan sagtens have været fotosyntese, hvis det bare bliver brugt lige med det samme. Men vores studier viser, at det ikke rigtig er muligt at holde ilt nede – på den måde er det ret vigtigt at sige, at hvis der var noget ilt, og hvis vi kan dokumentere, at der var oxygen-fotosyntese, så sætter det meget hårde betingelser for, hvordan det kan have undgået at udvikle sig i halvanden milliard år.«

Næste skridt: Undersøge de nulevende dyr, som kun kræver ganske lidt ilt

Robert Frei kan ikke ud fra sine målinger sige, præcis hvor meget fri oxygen der har været i atmosfæren efter det store bombardement. Men hvis det har været der, må det under alle omstændigheder have været mange, mange gange mindre, end de niveauer vi har i dag.

Derfor bliver næste skridt for ham blandt andet at undersøge nogle af de nulevende organismer, som kan klare sig med ekstremt lille iltforsyning. Måske vil det kunne gøre os klogere på, hvilke iltkrævende organismer der eventuelt har kunnet klare sig under Jordens barske betingelser for 3,8 milliarder år siden.

»Du kan finde indikationer ved at kigge på de primitive livsformer, som stadig eksisterer i dag, og finde ud af, hvad det er for nogle betingelser, de kræver for at kunne leve,« siger Robert Frei og fortsætter:

»Vi ved, at der var liv på dette tidspunkt, men vi ved ikke, om det krævede oxygen eller ej. I studier af nutiden kan vi se, at der findes organismer, som ikke kræver mere end en hundredetusindedel af den oxygen, vi har til rådighed i atmosfæren i dag.«

Klogere på, hvordan det hele startede

Robert Frei er slet ikke færdig med at studere, hvordan den tidlige Jord blev til et iltrigt sted at være. Han skal også i gang med at undersøge andre kemiske komponenter – for eksempel svovl og fosfor, som sætter et loft på, hvor høj en eventuel iltkoncentration kan have været.

På den måde kan man nærme sig et tal for, hvad niveauerne har ligget på. Alt sammen for at blive klogere på, hvordan det hele startede.

»Vores resultater åbner et vindue til, at evolutionen kan være forløbet anderledes, end vi hidtil har tænkt. Vi er alle sammen nysgerrige efter, hvordan livet begyndte, og vi vil alle sammen gerne helt tilbage til rødderne. Det her er så langt, vi kan komme – i hvert fald på vores planet.«