Það sem dularfulla frumburður jarðar segir okkur um uppruna lífs

JÖRÐ er 4,5 milljarða ára gömul. Það myndaðist á sama tíma og sólin og aðrar plánetur í sólkerfinu okkar þegar þúsundir steina, stórra sem smára, rákust saman og runnu saman. Svo kom hamarshögg. Minni reikistjarna virðist hafa rekið á jörðina með slíkum krafti að allt yfirborð heimsins okkar bráðnaði og gífurlegt magn af efni var sprengt á sporbraut og myndaði að lokum tunglið. Þetta skýrir hvers vegna fyrstu 500 milljón ár jarðar eru kölluð Hadean aeon eftir goðsagnakenndum grískum undirheimum. En að lokum kólnaði hið víðfeðma sjó af heitri kviku og storknaði í berg. Haf myndaðist. Landmassar komu fram.

Hin unga pláneta hefði enn litið verulega öðruvísi út en í dag. Það var ekkert súrefni í loftinu, svo mikið af málmjárni var leyst upp í vatninu og litaði höfin græn. Magn metans í andrúmsloftinu var kannski nógu hátt til að lita himininn appelsínugult. Og hvaða land sem er hefði verið hrjóstrugt berg, aðallega dökksvart og grátt.

Hvernig þetta annarsheima landslag varð til hefur lengi verið ráðgáta. Hvenær komu höfin fram? Hversu djúpar voru þær? Var alltaf óvarið land fyrir ofan öldurnar, eða var jörðin einu sinni sannur vatnsheimur? Núna er skrítin mynd farin að koma fram. Það sýnir ekki bara óvænt um gerð plánetunnar okkar. Að skilja hvenær jörðin fékk þurrt land mótar einnig hugmyndir um hvernig lífið hófst. Sumar aðstæður fyrir uppruna þess krefjast óvarins yfirborðs, svo þær geta ekki verið sannar ef allt var neðansjávar. Spurningin um fyrsta land jarðar er því líka spurning um uppruna allra lífvera, líka okkar.

Það eru næstum jafn margar tilgátur um uppruna lífs eins og það eru vísindamenn að hugsa um það. Ein mikið rædd hugmynd er að lífið hafi byrjað í basískum loftopum á hafsbotni, þar sem heitt, efnaríkt vatn streymir upp í hafið djúpt inn í jörðinni. Þetta passar við vísbendingar um að elstu örverurnar hafi nærst af efnaorku. En margir efnafræðingar efast um að byggingareiningar lífsins, þar á meðal amínósýrur og kjarnsýrur, geti myndast á slíkum stöðum. Annar hugsunarskóli heldur því fram að lífið hafi orðið til á landi í laug eða tjörn. Tilraunir leiða í ljós að margar lykillífsameindir geta myndast í slíku umhverfi, oft knúin áfram af lotum bleytingar og þurrkunar. Gagnrýnendur segja hins vegar að efnahvörf sem notuð eru í þessum rannsóknum valdi upp vandamáli, þar sem oft þurfi mjög hvarfgjörn efni sem drepa lífverur. Ennfremur halda stuðningsmenn vent tilgátunnar stundum því fram að laugartilgátan geti ekki verið sönn vegna þess að ekkert þurrt land hafi verið á ungu jörðinni. Samt veltur það á því hvenær lífið varð til, sem einnig er mikið deilt um.

Jarðfræðiskráin verður sífellt flekkóttari eftir því sem lengra er farið aftur í tímann. Engir steinar eru varðveittir frá Hadean og fáir frá næsta öld, Archean, sem var frá 4 milljörðum til 2,5 milljörðum ára. Engu að síður er það staðfest vísbendingar um örverur frá því fyrir 3,5 milljörðum ára sem varðveittar voru í steinum við Pilbara í Ástralíu. Árið 2017 greindu vísindamenn undir forystu Martin Van Kranendonk við háskólann í Nýja Suður-Wales í Sydney, Ástralíu, að þessar örverur lifðu í og við hvera á landi . Ekki eru allir sammála þessari túlkun, en hún er það óumdeilanlegar vísbendingar um örverur á landi fyrir 3,2 milljörðum ára. Þetta kemur frá klettum í Suður-Afríku sem skráir árósa umhverfi, heill með vindblásnum sandhólum.

Samt sem áður skilur þetta eftir að minnsta kosti milljarð ára bil frá því að jörðin myndaðist. Fræðilega séð gæti líf hafa átt uppruna sinn í heimshafi fyrir meira en 4 milljörðum ára: það er vissulega enginn skortur á fullyrðingum um fyrri vitnisburður um líf. Ef svo er, segja talsmenn þessarar skoðunar, alltaf þegar fyrsta landið kom upp var það tafarlaust tekið upp úr sjónum. En það er líka hugsanlegt að land hafi myndast mun fyrr en fyrir 3,5 milljörðum ára og þar hafi líf orðið til, ekki í frumhafi.

Dreifðar jarðfræðilegar heimildir gera þessar andstæðu hugmyndir erfitt að prófa. Þar til nokkuð nýlega var talið að Hadean kvikuhaf entist lengi, kannski 500 milljónir ára. En tvær rannsóknir sem birtar voru árið 2001 mótmæltu þessari skoðun. Báðir greindu sirkon, örsmáa kristalla sem myndast í ákveðnum tegundum bráðnu bergi, en efnasamsetning þeirra gefur vísbendingar um umhverfið þar sem þeir mynduðust. Vísindamenn skoðuðu sirkon frá Jack Hills í Ástralíu, sum þeirra voru 4,3 milljarða ára gömul . Einn kristall var enn fornari: 4,4 milljarða ára gamall . Samt höfðu þau öll einkennandi blöndu af mismunandi tegundum súrefnisatóma, sem bendir til þess að bergið sem þau mynduðust úr hafi haft samskipti við fljótandi vatn. Síðari greiningar gáfu til kynna að kvikuhaf jarðar hefði storknað fyrr en fyrir 4,4 milljörðum ára. Það virðist sem Hadean aeon hafi ekki verið eins helvítis og áður var gert ráð fyrir.

Niðurstöður sirkonsins hafa verið teknar til að þýða að jörðin hafi haft höf fyrir 4,4 milljörðum ára, varla 100 milljón árum eftir að plánetan myndaðist. Van Kranendonk segir að það sé ástæðulaust: „Það virðist vera víxlverkun vatns og bergs, en þú færð vatn í kviku allan tímann, það er ekki óvenjulegt. Það þýðir ekki endilega að þetta sé hafið.“ Hann grunar að unga jörðin hafi enn verið á heitu hliðinni, þannig að í stað þess að hafa fljótandi vatn hafi verið mikil gufa og vatnsgufa í loftinu. Samt virðast höf hafa birst fyrr en við héldum. Sirkonar sýna breytingu á gerð súrefnisatóma fyrir um 4,2 milljörðum ára, sem Van Kranendonk segir að marki myndun stórra hafs.

Vatnsheimur

Hvaðan allt þetta vatn kom er ekki alveg ljóst. Ein hugmyndin er sú að steinarnir sem mynduðu jörðina hafi innihaldið vatn sem síðan hafi brunnið upp á yfirborðið. Að öðrum kosti gæti nýfædda plánetan hafa verið þurr og aðeins fengið vatn síðar frá halastjörnum og smástirni. Þriðji möguleikinn er sá að vatn kom úr geimnum og festist í þyngdarafl jarðar. Umræðan heldur áfram en það sem er ljóst er að vatn var nóg frá fyrstu tíð.

Hvort þetta vatn tók á sig mynd yfirborðshafs eða sökk niður í innri jarðar er önnur spurning – spurning sem Junjie Dong við Harvard háskólann og samstarfsmenn hans ætluðu að svara árið 2021. Þeir tóku saman gögn um magn vatns sem gæti verið geymt í steinum finnst í möttli jarðar, þykka lagið undir jarðskorpunni. Í ljós kom að heitt möttulsteinn getur ekki borið eins mikið vatn og þegar það er svalara. Innri jarðar var heitari rétt eftir að hún myndaðist, þannig að unga plánetan gat ekki geymt eins mikið vatn í iðrum sínum og hún gerir núna. Möttullinn í dag hefur möguleika á að halda 2,3 sinnum massa hafsins, en í Hadean og snemma Archean gæti hann sennilega aðeins haldið 0,7 hafmassa . Það þýðir eitthvað af því vatni sem er núna inni á jörðinni hlýtur að hafa verið á yfirborðinu þegar plánetan var ung. Dong áætlar að snemma hafið hafi verið allt að fjórfalt meira rúmmál sem það er í dag.

Á tímum Hadean, “það er mögulegt að jörðin hafi verið flóð af vatni, með nánast ekkert eða lítið land”, segir Dong. Að minnsta kosti var þetta flutt í gegnum inn í Archean. Hann bendir á að megnið af bergi sem varðveitt var frá fyrri hluta Archean líti ekki út fyrir að vera úr þurru landi. „Mikið af þessum steinum myndaðist undir vatninu,“ segir hann. Samt, ekki mikið land þýðir ekkert land. Þegar öllu er á botninn hvolft virðist sem Pilbara örverurnar hafi lifað á landi fyrir 3,5 milljörðum ára. Og enn eldri vísbendingar eru um land frá Isua-grænsteinsbeltinu á suðvestur-Grænlandi, sem inniheldur steina sem eru 3,7 milljarða ára gömul. Flestir þeirra mynduðust neðansjávar, en sumir hlutar virðast vera leifar eldfjallaeyjakeðja .

Erfiðleikarnir eru þeir að það eru mjög fáir steinar frá fyrri hluta Archean, þannig að ef land var af skornum skammti ættum við ekki endilega að búast við að finna neina varðveitt. Hins vegar hafa jarðfræðingar á undanförnum árum fundið aðrar vísbendingar. Ein var í rannsókn sem birt var í febrúar af vísindamönnum undir forystu Desiree Roerdink við háskólann í Bergen í Noregi. Þeir skoðuðu steina sem kallast barítar sem finnast í suðurhluta Afríku, Indlands og Ástralíu, sem mynduðust fyrir milli 3,5 milljörðum og 3,2 milljörðum ára í miðju Archean. Barítar innihalda tvær útgáfur af frumefninu strontíum. Önnur tegundin er algengari í úthafsskorpunni, hin í meginlandsskorpunni. Með því að mæla hversu mikið af hvoru er varðveitt í berginu komst hópurinn að því hvort sjórinn tæki á móti seti frá meginlöndunum vegna veðrunar með náttúrulegum ferlum eins og vindi – og þar með hvort stór landmassa væri til.

Teymi Roerdinks komst að því að efnaveðrun á bergi á landi jókst smám saman fyrir 3,5 milljörðum til 3,2 milljörðum ára. Þeir reiknuðu aftur til fyrri tíma og reiknuðu út að veðrun lands hafi hafist fyrir um 3,7 milljörðum ára síðan . „Við getum ekki sagt að það hafi ekki verið land fyrir 3,7 milljörðum ára, en það sem við getum sagt er að frá því um það leyti byrjaði veðrun á þessu landi að hafa veruleg áhrif á efnafræði hafsins,“ segir hún.

Þetta er skynsamlegt í ljósi nýrra sönnunargagna um það sem var að gerast í jarðskorpunni ungu á þeim tíma (sjá „ Fæðing flekaskila “). Þegar plánetan kólnaði myndaðist skorpan hennar í svona stórum, hreyfanlegum plötum sem við sjáum í dag. Ef þessar jarðvegsflekar byrjuðu að ýta sér í kring og rekast hver á annan fyrir um 3,8 milljörðum ára, þá myndi það útskýra hvers vegna teymi Roerdinks fann vísbendingar um verulegan landmassa skömmu síðar, fyrir 3,7 milljörðum ára.

Rannsakendur áætluðu einnig hversu mikið land þyrfti til að gera grein fyrir veðruninni sem þeir sáu. Þar sem í dag eru um 29 prósent af yfirborði jarðar land, á milli 3,5 milljarðar og 3,2 milljarða ára síðan, var það aðeins 2 til 12 prósent. Það tók hundruð milljóna ára fyrir þessar fyrstu heimsálfur að vaxa í eitthvað sem nálgast nútíma stærðir. Fyrsti ofurálfu líklega byrjaði að myndast fyrir um 2,7 milljörðum ára síðan .

Land ahoy

Mikil óvissa er enn, en sönnunargögnum um hvenær þurrt land var til hefur verið ýtt langt aftur í tímann. „Mín tilfinning er sú að síðan fyrir 3,7 milljörðum ára, og líklega áður, hafi verið óvarinn landmassa á yfirborði jarðar,“ segir Van Kranendonk.

Allt þetta bendir til sögu um þrjá hluta í gerð jarðar. Snemma í Hadean fékk bráðna plánetan gufuhvolf með takmarkað yfirborðsvatn. Síðan mynduðust höf og jörðin fór næstum eða alveg á kaf. Loks hófst flekahreyfing frá fornöldutímanum svo að einangraðar eyjar bættust smám saman við stærri landmassa.

Hvað þýðir þetta fyrir uppruna lífs? Svo virðist sem stór höf hafi myndast fyrir um 4,2 milljörðum ára, þannig að ef líf varð til í djúpsjávaropi hlýtur það að hafa verið eftir það. En ef líf hefði byrjað á landi gæti það hafa birst fyrr, þegar vatn byrjaði fyrst að falla á yfirborðið, fyrir allt að 4,4 milljörðum ára. „Þegar andrúmsloftið rignir út, þá hefurðu í raun allt yfirborð plánetunnar sem jarðefnafræðilegan kjarnaofn,“ segir Van Kranendonk. Að öðrum kosti hefði líf getað orðið til síðar, á eldfjallaeyjum, sem líklega voru til fyrir 3,7 milljörðum ára og kannski fyrr.

Þó að við getum ekki enn bent á tíma eða stað uppruna lífsins, höfum við nú miklu betri mynd af frumlífi heimaplánetunnar okkar. Allt frá rjúkandi kvikuklumpi, til vatnaheims, til fornjarðarinnar með grænum sjó, appelsínugulum himni og svörtum steinum, þetta kann allt að virðast frekar framandi. En Van Kranendonk sér það ekki þannig. Innan milljarðs ára var nú þegar margt sem við myndum finna kunnuglegt, allt frá víðáttumiklum höfum til landmassa með eldfjöllum og hverum, segir hann. „Frá mínu sjónarhorni finnst mér eins og ég geti þekkt snemma jörðina.