Bornholmsk skifer løser gåden om, hvordan de tidligste dyr kunne ånde

Alle dyr bruger ilt, men fossiler af nogle af de tidligste dyr er blevet fundet i dele af verdenshavene, hvor der hidtil har set ud til at være iltfrit. Hvordan lader det sig gøre?

Det paradoks har ført til en årelang diskussion blandt geologer, hvor nogle har hævdet, at der formentlig alligevel var lidt ilt til stede, selvom vi ikke har kunnet måle det.

Omvendt har andre foreslået, at dyrene for 500 millioner år siden var særligt udviklet til at overleve i iltfri zoner ved hjælp af bakterier, der kunne hjælpe dem med at ånde uden brug af ilt.

Ingen af de to forklaringer har dog for alvor overbevist den samlede geologstand. Men nu har vi fundet en forklaring på paradokset.

Jeg og mine kolleger fra blandt andet Københavns Universitet har i et nyt studie nemlig vist, at iltindholdet fluktuerede på bunden af det i det 500 millioner år gamle Alunskiferhav i Skandinavien, og at bunddyr invaderede havbunden i disse iltede perioder.

Det har vi blandt andet gjort via en 20 meter lang borekerne fra Bornholms alunskifer.

Denne opdagelse giver en ny forklaring på den langvarige gåde om, hvordan de tidligste dyr kunne ånde.

Det bringer os samtidig tættere på en forståelse af samspillet mellem tilstedeværelsen af ilt på Jorden og livets udvikling. Resultaterne er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Scientific Reports.

Iltfølsomme grundstoffer sporer iltsvind på 500 millioner år gammel havbund

Fri ilt (O₂) er en gas, og den kan derfor ikke spores direkte i geologiske lagserier. For at rekonstruere iltniveauet i fortiden bruger vi forskere derfor indirekte metoder til at bestemme ilt-forholdene på Jorden.

Én af de metoder er at bruge ilt-følsomme grundstoffer, såsom molybdæn og uran, til at fortælle om iltens tilstedeværelse i havet.

Mængden af molybdæn og uran i en 20 meter lang borekerne gennem alunskiferen på Bornholm viser, at havbunden ikke var permanent anoxisk (ilt = 0) – iltniveauet fluktuerede faktisk på havbunden.

Særligt er molybdæn-indholdet følsomt over for tilstedeværelsen af stinkende og giftig hydrogensulfid i urhavet. Høje koncentrationer af molybdæn i de ældgamle havbundssedimenter fortæller, at der har været hydrogensulfid på bunden af havet.

I kortere intervaller i borekernen ser vi systematiske fald i molybdæn-niveauet, hvilket fortæller os, at hydrogensulfiden forsvandt.

Vi har anvendt massespektrometri til at bekræfte vores fund og samtidigt set, at mængden af uran også falder i de korte perioder, hvilket skyldes, at der kom ilt i bundvandet.

Vi ser samtidig et sammenfald mellem iltning og tilstedeværelsen af kalkskaller fra fossile dyr, såsom brachiopoder (også kaldet ’armfødder’), der levede på bunden af havet. Med andre ord – der er et sammenfald mellem, hvornår der var ilt og tilstedeværelsen af disse armfødder.

LÆS OGSÅ: Dansk professor sår tvivl om tidligere fund af Jordens ældste liv

Vores metode giver enorme mængder ny data

Ændringer i iltniveauet på bunden af havet har vi set gentaget flere end 20 gange inden for nogle få millimeter i en borekernen fra Bornholms alunskifer.

For at kunne se disse svingninger har vi kalibreret en ny metode, der – med ekstremt høj opløsning – kan måle mængden af molybdæn og uran i borekerner.

Metoden bygger på røntgenfluorescensspektrometri (XRF), som, man indtil for ganske nyligt ikke vidste, kunne bruges til at analysere sjældne spormetaller som for eksempel molybdæn.

I 2012 viste vi, at vi kan foretage denne analyse i Alunskiferen på under 30 sekunder.

Nu har vi optimeret teknikken, og det har gjort det muligt for første gang at få en idé om fluktuationer mellem iltholdige og iltfrie miljøer, der foregik over få hundrede år for 500 millioner år siden.

I studiet præsenterer vi det første datasæt af sin type, som indeholder 100.000 målinger gennem blot 20 meter borekerne, der blev aflejret i havet for cirka 503-497 millioner år siden.

Alene dette studie giver flere datapunkter, end der i dag findes i samtlige geokemiske databaser, selv om vi har målt molybdæn og uran i marine sedimenter siden 1960’erne.

Vi står altså på kanten af en ’big data’-eksplosion inden for de geokemiske fag.

LÆS OGSÅ: Utroligt kæmpefund: 500 millioner år gamle fossiler er fundet i Kina

Et paradoks for os forskere

Tilstedeværelsen af fossiler af ​​bundlevende dyr i iltfri dele af verdenshavene har vi og andre forskere som nævnt i indledningen længe anset for at være et paradoks.

Problemet har ført til en begrundet bekymring for, om vi virkelig er i stand til at rekonstruere forholdene på Jorden for så mange millioner år siden.

Palæontologen Richard Fortey har undersøgt fossilerne nærmere og mener endda ud fra fossilernes form at kunne ane, at nogle af disse dyr (Olenid-trilobitter) slet ikke åndede ilt som alle andre dyr, men at de åndede ved hjælp af 'symbiotiske' bakterier, der levede på deres gæller.

Bakterier kan bedre tåle hydrogensulfid og kan endda få energi ud af at lade det reagere med ilt. Ved hjælp af sådanne bakterier mener Fortey, at de tidligste dyr overlevede.

Et eksempel på sådanne dyr finder vi i dag nær vulkanske kilder i dybhavet, hvor Riftia-orme lever i symbiose med bakterier af hydrogensulfid, der strømmer ud fra Jordens indre.

Richard Fortey har foreslået, at mange leddyr tidligere kunne have levet på samme måde i næsten iltfri dele af havet.

Andre har bestridt, at fossilerne i alunskiferen kommer fra bundlevende dyr og foreslår i stedet for, at disse dyr svømmede højere oppe i vandsøjlen, hvor sollyset når ned og skaber ilt gennem fotosyntesen med algernes hjælp.

Et andet forslag har været, at fossilerne måske er blevet transporteret efter deres død til dybere og iltfri dele i Alunskiferhavet.

Atter andre har foreslået, at der alligevel var lidt ilt på bunden – i modstrid med de hidtil kendte geokemiske data.

LÆS OGSÅ: »Fantastisk« denisova-fossil fundet: Menneskets forhistoriske fætter boede i et af verdens mest ekstreme miljøer

Invasion af dyr løser paradokset om, hvordan de tidligste dyr levede

I den nye geokemiske undersøgelse fandt vi de tætteste populationer af fossiler på havbunden i iltede perioder, og at iltniveauet fluktuerede mange gange inden for nogle få hundrede år.

Det ledte os til en ganske simpel løsning på paradokset, nemlig at disse tidlige dyr også åndede ilt ligesom nutidige dyr, og at de fremherskende giftige og iltfri forhold på havbunden blev afbrudt i kortere perioder, hvor iltet vand flød ind i Alunskiferhavet.

Det samme fænomen kender vi fra fjorde med lav vandudveksling, såsom Mariager Fjord, og fra de dybeste dele af Østersøen. Dengang var iltfri og giftige vandmasser dog hyppigere, end de er i dag, fordi iltniveauet i atmosfæren var lavere end i dag.

Fundende af bundlevende dyr, som for eksempel skalbærende brachiopoder (armfødder) og trilobitter, i de iltede perioder peger på, at disse dyr krævede ilt og invaderede Alunskiferhavet, så snart forholdene tillod det.

Forskningen blev støttet økonomisk af VILLUM-Fonden, Carlsbergfondet og Geocenter Danmark.

Den videnskabelige artikel er publiceret 12. august 2019 og er frit tilgængelig her.

LÆS OGSÅ: Da temperaturen faldt, fik livet fart på

LÆS OGSÅ: Mystiske 'glasperler' fundet i fossile muslinger stammer måske fra meteorit