Nyviden Syddansk Universitet særnummer oktober 2011 At trække vejret roligt om natten Gåden om iltens opståen Af professor Donald Canfield
NYVIDEN oktober 2011 særnummer Særnummer af Nyviden. Redaktion: Kent Kristensen (journalist, ansvh.), Martin Vikkelsø (layout og web), Presse og Formidling, Syddansk Universitet, tlf. 6550 1000, nyviden@sdu.dk Forsidefoto: Tidligt i jordens historie indeholdt luften ingen ilt, og havet var olivengrønt af jernforbindelser. Der var kun spredte vulkanøer, men ingen kontinenter, og månen var tættere på jorden. Illustration: Lisa Belhage. Fotos: Ole Friis, Stephen Hui Geological Museum og Scanpix. Tryk: one2one A/S. Oplag: 3.000. ISSN 1399-0772 2
særnummer oktober 2011 NYVIDEN Donald Canfield Festforelæser ved Syddansk Universitets årsfest den 7. oktober 2011: Egentlig havde Donald Canfield en drøm om at blive keramiker. Eller musiker, for han elsker at spille guitar. Men han tvivlede på, at talentet ville række. I stedet tog han på Yale University og uddannede sig til en af verdens førende geokemikere. Han er således medlem af The National Academy of Sciences, som er det mest ansete videnskabelige akademi i verden. Undervejs i sin karriere har han blandt andet været ansat hos NASA og på Max Planck Institut for Marin Mikrobiologi, inden han i 1996 kom til Biologisk Institut på Syddansk Universitet. Her er han leder af Nordisk Center for Jordens Udvikling. Centrets medarbejdere forsker i jordens tidligste liv for at få viden om, hvordan de kemiske forhold har påvirket miljøet og skabt muligheder for den biologiske udvikling. Et af de spørgsmål, som optager professor Donald Canfield, er, hvornår der opstod ilt i atmosfæren. I dag indeholder luften omkring en femtedel ilt, men så gunstige har forholdene ikke altid været. I denne festforelæsning fortæller Donald Canfield om iltens historie, og han giver et bud på, hvorfor der for omkring 2,3 milliarder år siden begyndte at blive mere af den. 3
NYVIDEN oktober 2011 særnummer På verdens top, Mount Everest, indeholder luften kun 31 procent så meget ilt som ved havets overflade. 4
særnummer oktober 2011 NYVIDEN Allerede ved 2000 meters højde begynder de fleste mennesker at hive efter vejret, og på Mount Everest er de fleste bjergbestigere nødt til at have iltmaske på. At trække vejret roligt om natten Gåden om iltens opståen Vi trækker vejret cirka 20.000 gange om dagen, men for det meste er det ikke noget, vi tænker nærmere over. Det sker bare, uden at vi bekymrer os mere om det. Men forestil jer nu en vandretur i Alperne. Her gik jeg og troede, at jeg var i fin form, men de første par dage må jeg hive efter vejret, hver gang vi kommer op over 2.000 meters højde. Heroppe er det atmosfæriske tryk 77 procent af, hvad det er ved havets overflade. Det betyder, at hver gang vi trækker vejret i de høje Alper, får vi kun 77 procent af den ilt, vi ville have fået ved den samme indånding i Odense. På verdens top, Mount Everest, indeholder luften kun 31 procent så meget ilt som ved havets overflade. Disse iltmængder er virkelig en udfordring, og de fleste bjergbestigere kæmper sig da også det sidste stykke op ad bjerget med iltmaske på. Konklusionen på alt dette er, at koncentrationen af atmosfærisk ilt spiller en rolle, i det mindste for os. Det gør den normalt også for dyrene. Hvis man fjerner al ilt, vil- le vi gå til grunde sammen med alle andre dyr her på Jorden. Gammelt mudder fortæller om fortiden Så hvad er det med den her ilt? Hvor kommer den fra? Har den altid været her? Er koncentrationen af den i atmosfæren stabil? Har vi mulighed for at forstå dens historie? De fleste ledetråde har vi fundet ved at søge i forhistoriske aflejringer, typisk mudder, som engang lå på bunden af havet. Gå en tur langs Odense Fjords mudderbanker og forestil dig, at de indeholder ledetråde, som forskere 100 millioner år ude i fremtiden kan bruge til at forstå kemien i nutidens verdenshave og atmosfære. Sporene er bundet sammen med mudderets kemiske sammensætning, og det er vores opgave at forstå, hvad disse kemiske ledetråde består af, og hvordan vi kan tolke dem. Lad os derfor se på noget virkelig gammelt mudder. 5
NYVIDEN oktober 2011 særnummer Verdenshavene indeholdt ikke ilt På billedet på næste side ses nogle 2,5 milliarder år gamle aflejringer fra Hamersley Basin i det nordvestlige Australien. Jorden er 4,5 milliarder år gammel, så disse aflejringer er aldersmæssigt tættere på Jordens oprindelse end på nutiden. Primitive organismer kunne leve Men hvor meget indeholdt den så? Ifølge forskernes seneste undersøgelser tyder det på, at atmosfæren indeholdt 100.000 gange mindre ilt end den mængde, der er i luften i dag. Det er helt sikkert for lidt til, at dyr kan overleve. Spørgsmålet er, om der er Hvis man ser godt efter, vil man se, at de består af helt fine lag, hvilket betyder, at der på det tidspunkt ikke var nogen dyr, der kunne bringe uorden i dem. Men det virkelig interessante ved disse aflejringer er, at de er fyldt med jern, meget mere end den mængde, man I 2,5 milliarder år indeholdt de dybe verdenshave kun lidt eller ingen ilt. nogen organismer på Jorden, der kan nøjes med så lidt ilt? Et af forskningsemnerne i vores researchgruppe er at forsøge at forstå, præcis hvor lidt ilt, liv kan klare sig med. Som test har vi brugt E. coli, og vi dyrker den under forhold med gradvist mindre og finder i havmudder i dag. Disse aflejringer er umulige at forklare, hvis havene dengang var, som de er i dag: helt igennem rige på ilt. Når jern kommer i forbindelse med ilt, bliver det til rust, og det kan derfor ikke gå i opløsning. Det kan det derimod, når der ikke er nogen ilt. Det kan gå i opløsning og samle sig i disse utrolige aflejringer af jernmalmformationer, som vi ser i Australien. Konklusion: I 2,5 milliarder år indeholdt de dybe verdenshave kun lidt eller ingen ilt. Det betyder, at atmosfæren ligeledes indeholdt små mængder ilt, i hvert fald når vi sammenligner med i dag. mindre ilt. Vi benytter en ny og særlig sensitiv målingsteknologi, udviklet af kolleger ved Aarhus Universitet. Vores undersøgelser viser, at E. coli gladeligt finder sig i det, indtil der er så lidt ilt tilbage, at vi end ikke er i stand til at måle det længere. På det tidspunkt er der 100.000 gange mindre ilt, end der er i vand, som er mættet med ilt. Så selv om der kun var lidt ilt i atmosfæren og i verdenshavene for 2,5 milliarder år siden, var der sandsynligvis alligevel nok til, at visse organismer kunne leve, i hvert fald nogle steder på Jorden. Pludselig steg mængderne af ilt For cirka 2,3 milliarder år siden oplevede Jorden en pludselig stigning i iltniveauet til noget, der ligner én procent af nutidens niveau. Det er stadig ikke særlig meget og så alligevel: Det er cirka tusind gange mere, end der tidligere havde været på Jorden. Denne stigning kan ses i klipperne. Et af de beviser, vi har, er, at mineraler som pyrit for mere end 2,5 milliarder år siden var i stand til at blive transporteret intakt ned ad de forhistoriske floder. Pyrit er mineraler, som uhyre nemt omdannes til andre kemiske former ved tilstedeværelsen af selv meget små mængder ilt. Derfor er de vigtige beviser i forskernes arbejde. Her en 2,7 milliarder år gammel klump. 6
særnummer oktober 2011 NYVIDEN Disse 2,5 milliarder år gamle aflejringer fra Australien er fyldt med jern. Det fortæller forskerne, at de dybe verdenshave på det tidspunkt kun indeholdt meget lidt eller slet ingen ilt. Pyrit er et uhyre oxygensensitivt mineral, og det omdannes hurtigt til andre kemiske former ved tilstedeværelsen af så lidt som cirka 0,1 procent af det nutidige iltniveau. Vi finder intet pyrit i flodaflejringer, der er mindre end 2,3 milliarder år gamle. I et andet stykke bevismateriale ser vi, at klipper på Jordens overflade for mere end Lille overskud af plantemateriale Så hvorfor steg iltniveauet? For at være helt ærlig findes der ikke et endegyldigt svar på dette, men hvis vi vil lede efter en forklaring, er vi nødt til at se nærmere på, hvorfor der overhovedet er ilt i atmosfæren. 2,3 milliarder år siden mistede deres jernindhold, Når man graver i sin have De fleste vil svare, at det er fordi, at plan- når de blev omdannet til jordterne laver det. Men planterne bruger i dag, er jorden for det meste arter. Som nogen måske kan huske, er Fe næsten lige så meget ilt om natten, som de transportabelt ved fraværet af ilt. Når man graver i sin have i dag, er jorden for det meste brun. Det skyldes, at Fe er bevaret som rust i en atmosfære, der er brun. producerer i løbet af dagen. Hvis denne balance var perfekt, dvs. hvis al ilten blev brugt op, så ville der på trods af planternes effektive produktion ikke være rig på ilt. Rust begyndte at dannes i den jord, der er mindre end 2,3 milliarder år gammel. Dette er et tydeligt tegn på en stigning i koncentrationen af ilt. nogen ilt, der ophobede sig i atmosfæren. Måske vil nogle umiddelbart tænke, at ilten ophober sig, fordi der vokser træer og andre planter. De træer, der danner vores skove 7
NYVIDEN oktober 2011 særnummer Burgess Shale er et område i Canada med meget berømte aflejringer af nogle af de tidligste fossiler på jorden. Forskere har fundet mere end en halv milliard år gamle fossiler, som fortæller en masse om det tidlige dyre- og planteliv. Her en rekonstruktion af en glasformet svamp, Canistrumella alternata. og ernærer vores brændeovne om vinteren, udgør rigtignok en umiddelbar ubalance mellem produktionen og forbruget af ilten. Men ligesom træet, der brænder op en kold vinteraften, rådner træerne og går i opløsning, og den proces kræver ilt. I gennemsnit forbrændes 99,9 procent af det plantemateriale, der er produceret via fotosyntese, gennem planternes egen respiration og forfald. Det vigtige er, at 0,1 procent af det producerede plantemateriale ikke forfalder. Det bliver til kulaflejringer på land og til organisk materiale i forhistoriske aflejringer. Disse små rester af organisk materiale udgør atmosfærens kilde til ilten. Prøv at samle et stykke kul op og tænk på, at det repræsenterede ilttilførslen til atmosfæren for millioner af år siden. Ligesom med pomfritter Hvad var der så med den store stigning i iltniveauet for 2,3 milliarder år siden? Nu har vi identificeret kilden til ilten i atmosfæren, men hvad bliver der af den? Meget af den reagerer med det organiske materiale i kul og i forhistoriske aflejringer, når geologiske processer sørger for, at mate- 8
særnummer oktober 2011 NYVIDEN rialet kommer op til jordoverfladen igen. Vulkaner producerer også gasser, som går i reaktion med ilten. Da Jorden var ung, var der mange vulkaner, men med tiden er der blevet mindre vulkansk aktivitet. Man mener, at for cirka 2,3 milliarder år siden reduceredes strømmen af gasser fra vulkansk aktivitet til et punkt, hvor ilten rent faktisk kunne begynde at dannes. Et analogt eksempel på denne proces er pomfritter. Forestil dig, at du kan lave pomfritter med en vis hastighed, men at alle kvarterets sultne børn spiser dem, så snart de er færdige. Så selv om du bliver ved med at lave dem, samler der sig aldrig rigtig nogen på din tallerken. Nu er det ved at være sent, og en efter en begynder børnene at løbe hjem for at spise. På et tidspunkt er der så få børn tilbage, at de ikke kan nå at spise alle de pomfritter, du laver. Ligesom ilten i atmosfæren begynder din tallerken nu at blive fyldt op. Faktisk har disse tidlige dyr måske haft et iltbehov, der nærmer sig 5-10 procent af niveauet i dag. Vigtig opdagelse Uden at gå for meget ind i alle de mange detaljer har vores gruppe opdaget yder- ligere to stigninger i det atmosfæriske iltniveau. Den første fandt sted for cirka 580 millioner år siden. Det er lang tid siden, men det skete på et vigtigt tidspunkt i dyrenes udvikling. Det var nogenlunde på denne tid, at de første større dyr begyndte at opstå. Disse dyr så meget anderledes ud end dem, vi kender i dag; men det er ikke svært at forestille sig vores forhistoriske forfædre bølge blidt af sted med havstrømmene, mens de fangede de små partikler, der flød forbi, eller, som i mange tilfælde, ligge sikkert fæstnet til havbunden. Trods deres enkle opbygning og forholdsvis begrænsede bevægelsesevner ville deres iltbehov have været meget større end de simple og små E. coli-celler, vi mød- For cirka 540 millioner år siden havde dyrene udviklet sig og kunne svømme og kravle i mudder. Anomalocaris var et vanddyr, som levede for godt 500 millioner år siden. Det var et af de største hvirvelløse dyr i denne periode. 9
NYVIDEN oktober 2011 særnummer Træer er meget vanskelige at nedbryde, og det faktum er tæt forbundet med iltens historie. te tidligere. Faktisk har disse tidlige dyr måske haft et iltbehov, der Omtrent samtidig med denne stigning udvikledes de første tunge nærmer sig 5-10 procent af niveauet i dag. Et fællestræk hos dyr rovfisk, der mindede om den nu uddøde panserhaj. er et relativt stort behov for ilt, og i vores arbejde argumenterer vi Rent faktisk fandt en fantastisk evolution af fiskearter sted på for, at den stigning i iltniveauet, der fandt sted for 580 millioner dette tidspunkt, og vi kæder denne evolution sammen med stigningen i iltniveauet. Mere ilt gjorde, at evolutionen tillod større år siden, rent faktisk banede vejen for dyreevolutionen. fisk at udvikle sig. Dyrene begyndte at udvikle sig Man kan anskue det på følgende måde: Træerne gjorde forskellen For mere end 580 millioner år siden fand- Hvorfor steg iltniveauet for 400 millioner tes der sandsynligvis nogle små dyr, som Træer begyndte også for levede et stille liv i en temmelig iltfattig verden. alvor at brede sig på Jorden for Efter stigningen i iltniveauet blev det omkring 400 millioner år siden. muligt at imødekomme større dyrs tilsvarende større behov for ilt, og således sørgede evolutionen for at skabe større dyr. Vi fik endda de første dyr, der begyndte at bevæge sig aktivt af sig selv. Det kræver en vis mængde ilt at kravle og svømme, og det ville have været umuligt i den relativt iltfattige verden for mere end 580 millioner år siden. For cirka 540 til 550 millioner år siden havde dyrene udviklet sig og var blevet til mange former, som vi mere eller mindre kan genkende i dag. På det tidspunkt kunne dyrene svømme i vandet og kravle og grave i mudderet. De trivedes, og vi kan se dette som begyndelsen på dyrenes tidsalder. Dengang mindede iltniveauet dog stadig mere om det, vi finder på toppen af Mount Everest, end det, vi har nede ved havoverfladen i dag. Mange fiskearter kom til Derfor er historien heller ikke færdig endnu. Vi har været tilbage i tiden og set på klipperne og deres kemi, og her opdagede vi yderligere en stigning i mængden af atmosfærisk ilt til et nærmoderne niveau for omkring 400 millioner år siden. år siden? Det ser ud som om, vi kan give træerne skylden. Træer begyndte også for alvor at brede sig på Jorden for omkring 400 millioner år siden. Træer producerer masser af hårdføre organiske materialer, som er temmelig svære at opløse, og derudover er det dem, der skaber mest organisk materiale for en given mængde næringsstoffer. Det vil altså sige, at hvis man tilfører en kop næringsopløsning til algerne i sin havedam, så får man en vis mængde nye alger. Tilfører man derimod samme kop næringsopløsning til et træ, får man meget mere træ ud af det. Og nu skal vi tilbage til pomfritterne. I stedet for at give nabobørnene en tallerken pomfritter giver vi dem to tallerkener solsikkekerner. Ligesom ilten i atmosfæren vil solsikkekerner have lettere ved at hobe sig op på en tallerken, både fordi de tager længere tid at spise (de er sværere at nedbryde), og fordi der er flere af dem. Vi kan konkludere, at historien om ilten i atmosfæren har været dynamisk og tæt forbundet med den biologiske evolutions historie. Og næste gang du kigger på et træ, kan du passende takke det for ikke blot at give os skygge og for at producere den ilt, vi indånder men også for at være så svær at nedbryde, at dets ilt medfører en høj koncentration i atmosfæren. 10
særnummer oktober 2011 NYVIDEN 11
Man mener, at for cirka 2,3 milliarder år siden reduceredes strømmen af gasser fra vulkansk aktivitet til et punkt, hvor ilten rent faktisk kunne begynde at dannes. Donald Canfield