Mosser gav kloden hjertemassage og pustede liv i dyrene

Vi fylder lungerne med luft omkring 20.000 gange hver dag. Det er en dejlig livgivende oplevelse, som vi tager for givet.

Men følelsen er kun rar, når atmosfæren er fyldt af ilt og ikke som i størstedelen af Jordens historie af giftige gasser som kvælstof, kuldioxid og metan.

Alt højerestående liv kan takke ilt for eksistensen. Præcis hvordan og hvornår atmosfæren blev så rig på ilt som i dag (21 procent) har dog længe været en stor gåde.

Forskerne har haft to konkurrerende teorier:

1. Enten blev kloden iltet før den såkaldte Kambriske Eksplosion for 541 millioner år siden, hvor en mangfoldighed af komplekse dyr opstod i havene
   
2. Eller også kom ilten, da planeten blev grøn og træerne løftede sig fra landjorden med et stort ekstra skud fotosyntese for ca. 380 millioner år siden.

Men nu viser et internationalt studie, at vores atmosfære blev åndbar stort set midt i mellem, da de første ydmyge planter som levermosser indtog den golde landjord.

»Vi viser, at den sidste store iltning skete for 440 millioner år siden med udviklingen af landplanter, som på 20-40 millioner år løftede iltniveauet fra ca. 4 procent til det nutidige niveau og dermed gjorde landjorden klar til alle højerestående livsformer,« siger adjunkt Tais Wittchen Dahl ved Statens Naturhistoriske Museum, Københavns Universitet, som er en af forskerne bag studiet.

Studiet er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift PNAS.

LÆS OGSÅ: Jordens første ilt opstod 800 millioner år tidligere end troet

Evolutionen af landplanter og -dyr er gået hånd i hånd

Studiet peger dermed på, at en af de største begivenheder i livets historie ikke blev drevet af geologiske processer, men af livet selv.

»Det er et meget interessante studie, og det føjer sig til en række nylige fund, der samlet peger på at 'grønningen' af kontinenterne havde en større effekt på Jordens system tidligere, end man har troet,« siger professor i geologi Graham Shields ved University College London, England, som ikke selv har deltaget i forskningen.

»Deres reviderede model hjælper med at forklare, hvordan evolutionen af landplanter og -dyr er gået hånd i hånd. Ilten fra de tidlige landplanter ville have banet vejen for større og større dyr, der kulminerede med de første padder.«

LÆS OGSÅ: Planter kickstartede evolutionært drama

Jorden blev iltet i flere omgange

For geologer er det velkendt, at hele Jorden iltedes for omkring 2,3 milliarder år siden, og ilten dengang bragte en enorm massedød med sig, fordi den var en dødelig gift for de fleste bakterier, som levede i iltfrie miljøer.

Men dengang kom niveauet slet ikke op på vores nuværende niveau. Det skete først langt senere, og det har været meget omdiskuteret, hvornår og hvad der drev iltniveauet op.

LÆS OGSÅ: De første dyr manglede ilt

I 2010 offentligjorde Tais W. Dahl et opsigtsvækkende studie af iltniveauet i verdenshavene gennem 1.700 millioner år, hvor konklusionen modsagde en udbredt antagelse om, at de første komplekse dyr for 541 millioner år siden først kunne udvikles, da iltniveauet blev over 10 procent.

Men med en ny metode, der brugte isotoper af tungmetallet molybdæn som et indirekte mål for iltniveauet i verdenshavene, kunne Dahl og kolleger vise, at niveauet faktisk var så lavt som 3-5 procent.

Det gav selvfølgelig en del opmærksomhed, men hvad mere var, kunne forskerne også vise, at der skete et grundlæggende skift i verdenshavene, hvor oceanerne gik fra hovedsageligt at være iltfrie til at være iltede.

De kunne ikke sige præcis, hvornår det skete, men blot at iltningen ikke var udbredt endnu for 435 millioner år siden, og at den var blevet udbredt for 392 millioner år siden.

Det billede støttes af fossilt trækul, som indikerer, at iltindholdet var kommet oppe på 10-15 procent for 400-420 millioner år siden, men modellerne var ikke klar til at beskrive, hvordan det kunne ske.

Opdagede et skifte, alle har overset

Nu har Dahl og kolleger set med friske øjne på, hvad der kunne være årsagen, og forbløffende nok har de opdaget, at et vigtigt spor har ligget lige for næsen af forskerne, uden at nogen har bemærket det.

»Det er rigtig godt set, at der er et skift på den lange bane i kulstofbalancen udtrykt i kulstofisotoperne. Det er data, der har været publiceret for mange år siden, men ingen har hæftet sig ved skiftet,« siger lektor Christian Bjerrum ved Københavns Universitet, som selv forsker i iltens historie på Jorden, men ikke har deltaget i studiet.

LÆS OGSÅ: Overraskende resultater skubber til opfattelsen af livets udvikling

Kulstof-isotoperne afslører, hvor meget organisk kulstof der findes i verdenshavene, hvilket igen er et udtryk for, hvor stor klodens biomasse er, som i sidste ende reflekterer, hvor meget kulstof (kuldioxid) planters fotosyntese kan indfange og binde som sukkerstoffer.

»Vi ser et tilstandsskift i kulstofisotoperne fra før 440 til efter 440 millioner år siden - det har ikke været observeret før, men det skift er det, vi virkelig bruger som drivmiddel til den her model,« siger Tais W. Dahl.

Helt kort sagt viser de, at der i gennemsnit er mere aktivitet af liv på Jorden efter for 440 millioner år siden end før.

De tidlige landplanter kan have øget biomassen

En oplagt kandidat til at øge biomassen på det tidspunkt i historien er landgangen af de tidligste planter.

Det er bl.a. levermosser, som er nogle af de mest primitive planter, man kender, med algelignende træk, ingen rødder og en afhængighed af fugt i luften, hvorfor de i dag ofte gror på mørke, skyggefulde steder, mens de dengang herskede i alle fugtige landområder.

De første landplanter begyndte at etablere sig på kontinenterne allerede for 470 mio. år siden, og måske har de trods deres uanseelige størrelse øget væksten af den globale fotosyntese og biomassen langt mere, end man har troet.

Da væksten i biomassen er direkte proportional med frigivelsen af ilt ville det samtidig øge atmosfærens ilt, der kunne forklare Dahl og kollegers molybdæn-kurver fra 2010.

LÆS OGSÅ: Livets historie skal omskrives med 700 millioner år

Fosfors spiller en central rolle for liv

Geologerne er i dag enige om de præcise mekanismer, der styrer iltniveauet på kloden, så de har kigget en gang til på, hvordan de processer er modelleret.

Her spiller tilgængeligheden af grundstoffet fosfor en helt central rolle, som en begrænsende faktor for, hvor stor biomassen kan blive.

Fosfor indgår i livets byggesten, DNA, så for at livsformerne kan kopiere sig og øge biomassen, er livet i sidste ende nødt til at vriste mere fosfor ud af Jordens klipper eller udnytte det mere effektivt.

Dahl og kolleger finder, at hvis levermosser har magtet begge dele, falder alle brikkerne i modellerne på plads.

Og det kan de vise, at levermosser formentlig har kunnet.

LÆS OGSÅ: Optøet permafrost en langt større kilde til drivhusgas end antaget

Levermosser afliver de to etablerede teorier

Når forskerne sammenligner litteraturen for en vifte af over tredive forskellige mosser, finder de, at man hidtil har undervurderet levermossernes evne til at udnytte fosfor.

Det opgør man som et tal kaldet C/P-forholdet, der i bund og grund siger, hvor mange enheder biomasse en plante opbygger per enhed fosfor.

Her viser de, at tallet bør være 2.000, mens modellerne hidtil har brugt et tal på 1.000.

Det er det samme som at sige, at levermossernes fotosyntese (og dermed iltpoduktion) var dobbelt så stor, som man hidtil har regnet med.

Dertil kommer nylige eksperimenter, hvor en anden af forskerne - Tim Lenton ved University of Exeter, England - har vist, at levermosser aktivt øger 'udvindingen' af fosfor fra klipperne ved at udskille syre.

Det betyder, at man igen har undervurderet, hvor meget biomasse de tidlige landplanter må have været i stand til at producere.

LÆS OGSÅ: Drivhusgassen der reddede verden

Løser gåden om, hvornår ilten kom op på sit nutidige niveau

Lenton har målt effekten, og når forskerne indsætter de to nye tal i modellerne, kan de vise, at kurverne følget den globale kulstofcyklus gennem hele perioden.

Modellen 'fitter' kun, når de indarbejder fremkomsten af de tidligste landplanter, og dermed ser det ud til, at de har løst gåden om, hvornår ilten kom op på sit nutidige niveau.

»Det er i stor kontrast til de sidste 20 års opfattelse af, at den store stigning i ilt skete på Prækambrium-Kambrium grænsen. Hvis man sammenholder Dahl og kollegers resultat med bl.a. vores resultater fra tidligere i år, er der ringe belæg for at argumentere for en stigning af ilt i atmosfæren på Prækambrium-Kambrium grænsen,« siger Christian Bjerrum.

Og Graham Shields siger, at den anden teori om, at træerne iltede Jorden, er ligeså død.

»Deres reviderede model giver et stærk grundlag for at afvise paradigmet om en senere meget større stigning i ilt i forbindelse med træerne og giver i stedet en mere langtrukken stigning ilt, der når det nuværende niveau, kort før hvirveldyrene koloniserer landjorden,« siger Graham Shields.

LÆS OGSÅ: Mere ilt i atmosfæren gør klimaet koldere

Modsatrettede mekanismer gjorde, at ny balance indtraf

Man kan spørge, hvad der har fået iltindholdet til at stoppe, når nu træerne kom til senere og i princippet øgede landjordens fotosyntese.

Her siger forskerne, at der har indstillet sig en ny balance, fordi modsatrettede mekanismer indtraf, bl.a. skovbrande, der blev meget hyppige ved høje iltniveauer på f.eks. 30 procent.

Dertil kom også andre effekter såsom fremkomsten af rødder og jord.

»Rødder er ikke bare gode til at suge vandet, men er også rigtig gode til at genbruge næringsstoffer som fosfor,« siger Tais W. Dahl.

Med rødderne bremses udvindingen af ny fosfor til at opbygge mere biomasse, fordi fosfor genbruges på landjorden i stedet for at udvaskes til havene.

LÆS OGSÅ: Schweizisk sø skal løse gåde om livets opståen

Tidlige landplanter kan have løftet iltindholdet

Og med planter og dyr opbygges jord for første gang i historien som et stabiliserende lag på kontinenternes klippegrund.

Jord er som en svamp, der suger regnvand op og bremser erosionen ved at forvandle floder fra hurtige, rivende vandstrømme til de blide, bugtende vandløb, vi kender i dag.

Alt i alt kan de tidlige landplanter have løftet atmosfærens iltindhold op, indtil en ny balance indtraf.

Hvis forskernes idé viser sig at holde vand, har de ydmyge, små levermosser fortjent en hædersplads i livets historie og vi ’højerestående’ organismer kan takke dem ca. 20.000 gange om dagen - eller i det mindste ofre lidt af vores store hjernes kraft på at sende dem en venlig tanke.