Planter kickstartede evolutionært drama

Jordens atmosfære blev først for alvor fyldt med ilt, da planter med lange rødder og stive stilke bredte sig på landjorden. De såkaldte karplanter gav atmosfæren kunstigt åndedræt, så dets iltindhold sprang fra en koncentration, der var mange gange lavere end i dag, og op til det nuværende niveau. Den begivenhed satte gang i udviklingen af store, komplekse og meget energikrævende dyr som flere meter lange kødædende fisk. Det konkluderer to forskere fra Syddansk Universitet efter at have kortlagt atmosfærens iltindhold gennem tiderne ved hjælp af prøver fra gammel havbund, der går hele 1700 millioner år tilbage i tiden. Opdagelsen er netop blevet offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift 'Proceedings of the National Academy of Sciences' og bliver også omtalt i tidsskrifterne Science og Nature.

»Iltniveauet i atmosfæren steg voldsomt, da karplanter spredte sig på landjorden. Karplanternes lange rødder, stive stilke og brede blade satte skub i det langsigtede kulstofkredsløb, der regulerer iltindholdet i havet og atmosfæren,« siger postdoc Tais W. Dahl, Nordisk Center for Jordens Udvikling på Syddansk Universitet, der har ledet studiet.

Små organismer klarede sig med lidt ilt

Tais W. Dahl fortæller, at målet med forskningsprojektet var at undersøge koblingen mellem atmosfærens iltindhold og dyrenes udvikling gennem tiden - om det er ændringer i iltindholdet, der har styret livets udvikling i havene og på landjorden. »Planternes udbredelse på landjorden er en milepæl i livets historie. Vi kan takke planterne for, at vi er her i dag,« siger han.

Tais W. Dahl har gennemført studiet sammen med sin kollega Emma Hammarlund, der er ph.d.-studerende på instituttet. De to forskere fortolker deres resultater som, at de første dyr på Jorden var så små, at de kunne klare sig med betydeligt mindre ilt end os. Større dyr udviklede sig først, da karplanterne bredte sig på Jorden og atmosfærens iltindhold steg til det nuværende niveau.

»Planternes udbredelse på Jorden gjorde, at naturen ikke længere ville lade sig nøjes med små livsformer som småfisk, gopler og trilobitter, men kastede sig ud i at udvikle store, meget energikrævende livsformer som f.eks. op mod 10 meter lange kødædende fisk,« fortæller Emma Hammarlund.

Resultater understøtter velkendt teori

De nye resultater skærer igennem i en heftig diskussion mellem forskellige forskergrupper, der hidtil ikke har kunnet blive enige om, hvordan udviklingen i atmosfærens iltindhold har styret livets udvikling på Jorden.

To konkurrerende teorier har været i spil:

GEOCARBSULF-teorien påstår, at atmosfærens iltindhold allerede var tæt på det nuværende niveau, da de allerførste flercellede organismer opstod i havene under den såkaldt kambriske eksplosion for 550 millioner år siden. COPSE-teorien mener, at iltniveauet først nåede sit nuværende niveau efter at landjorden blev indtaget af karplanter for 400 millioner år siden.

De nye resultater fra Syddansk Universitet støtter COPSE-teorien og bekræfter altså forestillingen om, at atmosfæren kun rummede en smule ilt, der lå et sted mellem to og syv gange lavere end det nuværende niveau de første 150 millioner år af dyrenes historie, længe før karplanterne opstod.

Planterne fik magten

De første simple livsformer havde også brug for at trække vejret, men kunne klare sig med den smule ilt, som blev dannet af blågrønalger i havene.

Algerne dannede ilt ved fotosyntese, hvor sollyset splittede kuldioxid CO2 i kulstof C og ilt O. Algerne brugte kulstoffet som byggesten i deres celler, mens de frigav ilten til atmosfæren. Atmosfærens iltindhold holdt sig nu alligevel konstant, fordi en del af atmosfærens ilt blev brugt til at nedbryde de døde alger.

Da karplanterne spredte sig på Jorden, begyndte de også at frigive ilt til atmosfæren ved fotosyntese, og de producerede samtidigt store mængder organisk materiale i et meget højt tempo.

Døde planter bestående af kulstof hobede sig op og nåede ikke at blive nedbrudt, før de blev begravet af nye døde lag af planter. Størstedelen af karplanterne blev altså ikke nedbrudt og tærede derfor heller ikke på ilten i atmosfæren.

Karplanterne frigav mere ilt, end de brugte, og det havde den konsekvens, at atmosfærens iltindhold begyndte at stige.

»Det organiske materiale, som karplanterne danner, er solidt kulstof, der er sværere at nedbryde, end det algemateriale der inden da var den eneste form for planter på Jorden. En større del af planternes kulstof blev begravet i jorden, og det øgede atmosfærens iltindhold,« siger Tais W. Dahl.

Det kan betale sig at være høj

Det spørgsmål, som forskerne stadig mangler at finde svar på, er, hvad det var for en proces, der fik planterne til at udvikle sig på land.

Man ved, at der har levet rød-alger i havene igennem 1000 millioner år, samt mosser og lav på landjorden igennem de sidste 450 millioner år, men hvad der fik store karplanter til at sprede sig på Jorden, kan man foreløbigt kun gisne om.

Tais W. Dahl og Emma Hammarlund kommer selv med nogle forsigtige gæt:

Begivenheden kunne ifølge de to forskere være tricket af, at nogle planter udviklede lignin, der tillod planter at bygge stive stilke og dermed hæve sig over andre planter.

»I kampen om sollyset kan det også betale sig at være høj, og nogle planter fik en fordel ved at udvikle lange stilke,« fortæller Tais W. Dahl.

Personligt bryder han sig dog ikke om den tanke, at biologien pludselig finder på et eller andet ud af den blå luft.

»På det tidspunkt, hvor planterne indtager landjorden, har der har eksisteret alger og mosser i mere end 50 millioner år, og det tyder på, at planternes udviklede stive stilke over en relativ lang tidsperiode,« siger Tais W. Dahl.

De to forskere bider mærke i, at planternes invasion af landjorden falder sammen med at de første dyr, amfibier, kravlede på land. Deres ekskrementer kan også have været det, der dannede grobund for planter og satte skub i udviklingen, fortæller de.

Naturen higer efter avanceret liv

De første planters betydning for livets udvikling er vigtig i studierne af, om livet kan opstå på andre planeter end Jorden, fortæller Tais W. Dahl. Det nye studie viser, at dannelsen af ilt er knyttet til pladetektonik, og planter og ilt er en betingelse for højerestående liv.

Jeg er målløs over, hvor mange ting, der faktisk faldt i hak i Jordens histroie og førte til at store komplekse organismer som os kan opstå. Men når betingelserne for liv er opfyldt, tyder det på at naturen har en drivkraft mod betingelser, der gør planeten beboelig for højerestående liv og sådan nogle som os.

Tais W. Dahl

»Skal vi gøre os nogen forhåbninger om at finde højerestående liv andre steder i universet, skal vi lede efter kloder, der har disse fænomener i spil. Jeg er målløs over, hvor mange ting, der faktisk faldt i hak i Jordens histroie og førte til at store komplekse organismer som os kan opstå. Men når betingelserne for liv er opfyldt, tyder det på at naturen har en drivkraft mod et miljø, der gør planeten beboelig for højerestående liv og sådan nogle som os,« slutter han.

Forskerne har målt, hvor meget ilt der fandtes i havet og atmosfæren igennem Jordens historie ved at undersøge mængden af tungmetallet molybdæn og dets såkaldte isotoper (varianter af samme grundstof) i havbundssedimenter fra borekerner, der rækker 1700 millioner år tilbage i tiden.

»Dette er en helt ny fremgangsmåde i forhold til tidligere, hvor man typisk har kortlagt, hvor meget ilt der var i havene og atmosfæren gennem tiderne ved at måle udviklingen i havsedimenternes indhold af kulstof, svovl og jern,« fortæller Tais W. Dahl.

Molybdæn er et grundstof, som findes i havet og reagerer med ilt. I områder med højt iltindhold fjernes molybdæn langsomt på en måde, så andelen af lette molybdænisotoper bliver større i havbunden.

I områder med lavt indhold af ilt, og hvor der er svovlbrinte fjernes molybdæn uden de store ændringer i isotopforholdet.

Det betyder, at havvandets indhold af molybdæn og dets isotopsammensætning kan bruges til at kortlægge, hvor meget ilt havene, og dermed også atmosfæren, indeholdt gennem tiderne.

»Det, der er rigtigt spændende for molybdæn i forhold til alle andre metoder, er, at molybdænindholdet i havet giver det samme isotopforhold, uanset om du befinder dig i Østersøen, Atlanterhavet eller i det Japanske Hav. Det siger altså noget om iltindholdet i havet på globalt plan, hvilket er en kæmpefordel frem for jern, hvor man skal forholde sig til en masse lokale variationer,« slutter Tais W. Dahl.