Over tre-fire omgange var Jorden for 730 til 580 mio. år siden totalt frosset ned og havene dækket af gigantiske iskapper, selv ved ækvator. Men ophobning af enorme mængder vulkansk kuldioxid i atmosfæren udløste varmeeksplosioner, der på få hundrede år smeltede havisen. Disse ekstreme klimaskift kan have udløst og accellereret udviklingen af flercellede dyr på kloden, siger Harvard-professor.
Vores blå planet var engang helt hvid, frossen fra pol til pol, og havene var dækket af iskapper, der selv ved ækvator knagende og bragende strakte sig flere hundrede meter ned i oceanerne.
Livet på Jorden var i chok, fotosyntensen sat i stå, og kun ekstremt kulde- (og varme-) tålende organismer overlevede, mens bundfrosne millioner af år rullede forbi over dem.
Men trods isen fortsatte kontinenterne deres drift bort fra hinanden, og enorme vulkanudbrud sendte lavamasse og gasser fra Jordens kogende indre op gennem sprækkerne, der opstod mellem de drivende kontinentplader.
Til sidst var atmosfæren så rig på kuldioxid fra vulkanudbruddene, at en fænomenal drivhuseffekt begyndte sit arbejde og katapulterede temperaturen i vejret – fra minus 30-50 grader til plus 50 grader; på få hundrede år blev den kolde klode igen varm, havenes iskapper smeltede bort, og isen trak sig igen tilbage mod polerne.
Teorien om, at en stor istid fandt sted på Jorden for 1000 til 500-600 millioner år siden blev fremsat allerede i 1960’erne af en forsker ved Cambridge-universitetet, Brian Harland.
Harland pegede på, at istidsaflejringer fra denne nyere periode, neoproterozoikum, i Jordens historie kan findes stort set overalt. Hvornår de enkelte kontinenter i deres drift mod polerne nøjagtigt havde været dækket af is, kunne han ikke fastslå, men istidsaflejringer på alle kontinenter med sedimentlag af ler, grus og døde organismer typiske for lave breddegrader, altså omkring ækvator, lod ham forstå, at også her havde isen hersket.
Men hvad havde sat nedfrysningen af Jorden i gang? Samtidig med, at Harland funderede over sin istidsteori, arbejdede geofysikeren Mikhail Budyko ved Leningrad-universitet med enkle modeller for energibalancen mellem solindstrålingen til og tilbagekastningen af strålingen fra Jorden som styrende for klimaet.
Hvor meget solindstråling, der tilbagekastes fra Jordens overflade, afhænger af dennes tilbagekastningsevne, dens albedo: Is og sne reflekterer megen stråling tilbage i rummet, havoverflade væsentligt mindre, og landjord et sted midt imellem afhængig af typen af vegetationen som græs og træer og fordelingen af den.
Når det sner over landjorden eller der foregår isdannelse til havs, så øges albedoen med en større nedkøling til følge; som igen stabiliserer lagene af sne eller is. Dette fænomen benævner fagfolkene is-albedo-feedback, altså en tilbageslagsmekanisme, der er en væsentlig faktor, når iskapper øges eller mindskes.
Med sine energibalance-klimamodeller påviste Budyko, at is-albedo-feedbacken forårsager instabilitet i Jordens klimasystem.
Hvis klimaet blev for koldt, og der foregik isdannelse på lavere og lavere breddegrader, ville hele planetens albedo øges hurtigere og hurtigere.
Det skyldes, at solindstrålingen pr. arealenhed vokser, efterhånden som man nærmer sig ækvator.
Når isdannelse derfor først var i gang på en kritisk breddegrad – omkring 30 grader nordlig eller sydlig bredde svarende til ca. halvdelen af Jordens overflade – så ville denne feedback-mekanisme løbe løbsk, viste Budykos model. Temperaturerne ville rasle nedad og resultere i en planet, der var frossen fra pol til pol.
Varmen fra Jordens indre – trods et forholdsvist ringe omfang – ville dog række til at hindre havene i at fryse til bunden, men stadig tillade kilometertyk isdannelse ved polerne og noget tyndere isdannelse ved ækvator.
Teorien om klodens totale nedfrysning blev trods dens indre logik skeptisk modtaget. Hvordan kunne livet have overlevet, og var en flugtvej ud af en sådan fastlåst situation overhovedet mulig? Budyko selv ræsonnerede, at hvis nedfrysningen indtraf, ville den være permanent.
Men opdagelserne sidst i 1970erne af først varmetålende organismer, der lever i kolonier ved undersøiske, vulkanske skorstene, og senere af kuldetålende organismer i de ekstremt kolde, tørre dale på det østlige Antarktis rykkede ved tvivlen omkring livets evne til at overleve en global istid.
Organismer af den slags var til stede i neoproterozoikum, og molekylære undersøgelser har godtgjort, at de i uforholdsmæssig stor grad repræsenterer de ældste grene af livet på Jorden.
I slutningen af 1980’erne pegede den amerikanske forsker Joe Kirschvink fra Califoniens “Institute of Technology” så på løsningen af den anden del af problemet.
Under en global istid, som han benævnte “Snebold-Jord”, ville vulkansk aktivitet muliggjort af pladetektonik, dvs. kontinenternes drift på kloden, dengang som nu sende kuldioxid, CO2 , op i atmosfæren.
Under “normale” omstændigheder hersker der en balance i kulstofkredsløbet på Jorden. Mellem atmosfære, hav og landjord.
En stor del af den naturligt udsendte kuldioxid regner ned over hav og jord som kulsyre. Kulsyren reagerer kemisk med silikatmineraler, hvorved kuldioxiden omdannes til kalciumkarbonat, et stof hvoraf kalksten er gjort.
I en frossen verden regner det ikke. Alt vand er bundet i is og sne, det hydrologiske kredsløb er gået i stå. Dermed sker der heller ingen kemisk lagring af kuldioxiden i kalksten længere.
I stedet hober kuldioxiden, som er en drivhusgas, der tilbageholder varmeudstrålingen fra Jorden, sig op i atmosfæren. Ifølge Kirschvinkel til ufatteligt høje niveauer.
På et tidspunkt er der så meget kuldioxid i atmosfæren – i “Snebold-Jord”-sammenhængen senere beregnet til ti procent af atmosfæren eller 350 gange over niveauet i dag – at den CO2 -fremkaldte opvarmning indleder en smelteproces, der efterhånden får has på is-albedoen, så der sker en ekstra opvarmning – klimaprocessen løber så at sige løbsk den anden vej – og istiden bringes til ophør.
Ifølge professor i geologi ved Harvard-universitetet i Cambridge, USA, Paul F. Hoffman, der i sidste uge på Geologisk Museum og på DTU fortalte om Snebold-Jorden, så tyder geologiske observationer på, at der har været tale om tre eller fire flere millioner år langvarige istider i neoproterozoikum.
“Vi tror, at der var tre eller fire istider. Den tidligste for omkring 730 mio. år siden – hver varer mange millioner år – og den yngste for 580 mio. år siden,” siger Hoffmann til Univers og fortsætter: “Det mest interessante forhold er dog, at den første fremkomst af flercellet liv sker i det umiddelbare kølvand af disse intense klimachok; disse lange perioder med nedfrysning, hvor hver ender meget voldsomt med ekstreme drivhus-hedebølge-omstændigheder.
Vi ved nu fra molekylærundersøgelser og evolutionære undersøgelser af forskellige organismer, at mange organismer reagerer på stærkt stressende omstændigheder med massive forandringer i deres arvemasse. Så hvis man har en kombination af usædvanligt alvorligt stress, klimatisk isolering og stor reduktion i populationsstørrelserne, så ville det faktisk være en ideel situation for en stærkt accellereret evolutionær forandring.
Og drivhus-eftervirkningen ville ikke eksistere på noget andet tidspunkt i Jordens historie, så det ville formodentlig være favorabelt for udviklingen af flercellet liv.
Så vi tror, at der må være en forbindelse mellem den eksplosive opblomstring af flercellede dyr, som forekommer pludseligt og meget sent i jordens historie, og disse begivenheder,” siger Paul Hoffmann.
Hoffman støtter sig til flere, både egne og andres, forskellige observationer og undersøgelser, når han mener, at de tre-fire ekstreme istider var faktum og har dækket ihvertfald havene med is.
Hvorvidt landjorden også har været isdækket under selve istiderne er usikkert, men ved deres slutning, hvor de stigende temperaturer har smeltet isen og fyldt atmosfæren med vanddamp er det sandsynligt, at der har været kraftige snefald og isdannelse over kontinenterne.
Ét geologisk fænomen, som Hoffmann selv studerer for tiden i bjergene på Namibias Skeleton Coast i Sydvestafrika, er forekomsten i bjerglagene af, hvad han kalder “cap dolostones”, dvs. et låg eller forsegling af karbonater, kalksten, over istidsaflejringer.
Sådanne kalkstenaflejringer ovenpå istidsaflejringer er observeret på alle kontinenter, men bedst i Namibia, og de udgør i bund og grund et paradoks.
Årsagen er, at denne kalksten alene dannes i varme have, men her ligger de ret ovenpå istidsaflejringer.
Den nærliggende konklusion på det forhold er, at der er sket et ualmindeligt brat klimaskift i den geologiske periode, som lagene kan henføres til.
Samtidig viser analyser af forholdet mellem kulstof 12- og 13-isotoperne i kalkstenslagene, at det er nøjagtig det samme som i vulkansk kulstof, der sendes direkte ud i atmosfæren.
Dét faktum fortæller forskerne, at der kun var ringe biologisk produktion i perioden, hvor kalkstenen blev dannet. Når planter, som f.eks. mikroskopiske encellede alger i urhavet, omdanner energi gennem fotosyntese forbruger de kulstof 12, men skiller kulstof 13 fra.
Som et resultat er variationerne i forholdet mellem kulstof 12 og kulstof 13 i karbonatklipper en genspejling af den relative begravelse af organisk materiale i kalksten. Desto mere organisk stof der optages, desto mere beriget med kulstof 13 bliver kalkstenen. Isotopforholdet fungerer altså som en indikation på omfanget af organisk aktivitet. “Hvad vi har observeret i Namibia, og man har set det andre steder også, er, at umiddelbart før og efter glacialiseringen er isotopsammensætningen i kalkstenen altså nøjagtig den samme som i det vulkanske kulstof, der sendes ud i atmosfæren,” fortæller Paul Hoffmann. “Det indikerer, at der ikke er sket en adskillelse af isotoperne. Der er altså ingen organisk nedfældning af nogen art.
Det viser, at der er sket en kollaps af den organiske produktivitet og ydermere, at denne produktivitetskollaps har varet længe nok til, at alt kulstof har kunnet føres tilbage i havet, så havet når et nyt, stabilt trin, men hvor der faktisk ingen organisk produktivitet forekommer.
Det betyder igen, at fotosyntesen må have være lukket ned i adskillige hundredetusinder år, og det er meget svært at forestille sig, hvordan fotosyntese kan være effektivt lukket ned i havet for disse tidsperioder – op til en halv million år – af nogensomhelst andre forhold end at havet var dækket af et tykt isdække.” Han peger på, at selv masseudryddelsen af arterne i trias-tiden for 65 mio.
år siden – hvor 85 pct. af alle arter uddøde – ikke forårsagede et nært så dramatisk kollaps af den primære organiske produktivitet, dvs. alger og andre encellede organismer.
“Isotopeffekten er til stede for 65 mio. år siden, men ikke nær så ekstrem.
Derfor er det er en indlysende fortolkning, at der i neoproterozoikum er tale om en kollaps i produktiviteten over en lang tidsskala,” siger Hoffmann.
Han og hans kolleger er begyndt at arbejde med andre isotop-systemer, strontium og kalcium, for at underbygge teorien. Men selv om de første resultater er lovende, så har man endnu ufuldstændige data.
I forbindelse med teorien om en stærkt accellereret evolution under de ekstreme kulde-varme-perioder i det nære proterozoikum peger Paul Hoffmann på et protein, som er særligt interessant i sammenhængen.
“Disse proteiner kaldes varmechok-proteiner, og de har en dobbelt funktion.
Dels beskytter de andre proteiner i organismerne under stressperioder, dels maskerer eller undertrykker de de mutationer, der normalt forekommer i arvemassen.
Under stressede forhold, hvor det er for varmt eller for koldt, er disse varmechokproteiner fuldt optagede af at beskytte de andre proteiner, og dermed har de ikke længere overskud til at undertrykke mutationerne, som er oparbejdet over en lang periode.
Mutationerne kommer dermed pludselig til udtryk. Under disse usædvanlige miljøstressforhold får man altså en fremkomst af mange mutationer, og det er en mulig forklaring på den eksplosion af flercellede organismer, man ser relativt sent i Jordens historie – startende fra ca. 570 mio. år siden,” siger Paul Hoffmann.
Han tror ikke på, at en ny “snebold-Jord” er sådan lige om hjørnet.
“Vi har ingen grund til at antage, at det vil ske i dag. Det kan ske i morgen – vi ved det ikke. Men man må se på, hvorfor sådan en snebold-istid forekommer; vi må kunne forklare, hvorfor de forekommer og hvorfor de er så relativt sjældne,” siger han.
Han tror i den sammenhæng på, at et begrænsende forhold er, at man er nødt til at have det meste af kontinenternes masse liggende på lave breddegrader.
Grunden til det er, at ved en situation med kontinenter på høje breddegrader som nu, vil disse blive isdækkede efterhånden som polarkapperne vokser. Og det betyder, at de ikke længere kan lagre kuldioxid ved kemiske processer. CO2 en vil altså akkumulere i atmosfæren, øge temperaturen og derved holde isdannelsen i skak.
Artikel af Steen Voigt, Berlingske Tidende.
