Feltarbeid i Barberton grønnsteinsbelte. Foto: Aivo Lepland
De samme dataene antyder at livets utvikling og den biologiske fosforsyklusen allerede var i god gjenge for 3,5 milliarder år siden.
– Livets opprinnelse er en av vitenskapens store og uløste gåter. Vi vet ikke på hvilket tidspunkt livet oppstod, og vi vet heller ikke i hvilket miljø de første organismene kom til verden, sier Aivo Lepland, forsker ved Norges geologiske undersøkelse (NGU).
Mens noen mener de har håndfaste bevis for at noen primitive skapninger ”så dagens lys” under tempererte forhold, tror andre at det skjedde under ekstreme betingelser, med temperaturer over vannets kokepunkt slik vi i dag finner ved midthavsryggene. Det har til og med blitt foreslått at livet på Jorden stammer fra bakterier som meteoritter fra andre planeter har brakt med seg.
I to tidligere artikler i GEO (GEO 02/2004; GEO 01/2009) oppsummerer Aave Lepland forskningen rundt livets opprinnelse, og om hvor langt tilbake i tid vi har sikre bevis for at det var liv på Jorden. Konklusjonen er at det fortsatt er stor usikkerhet vedrørende det siste.
Nye metoder gir ny innsikt
– Kunnskap om temperaturen og den kjemiske sammensetningen av både havet og atmosfæren, samt om livets aller tidligste utvikling, finnes lagret i de aller eldste sedimentære bergartene på Jorden. Dette er forskernes arkiv som vi stadig vender tilbake til, forteller Lepland.
Det er imidlertid ingen enkel oppgave å finne koden til dette arkivet. Lepland presiserer at den største utfordringen langt på vei er å forstå de miljømessige og biologiske signaturene som ligger i bergartenes geokjemiske, mineralogiske og strukturelle karakteristika.
Ikke desto mindre er det bred vitenskapelig interesse rundt disse spørsmålene. Det finnes aktive forskningsmiljøer i mange land, inkludert Norge. Aivo Lepland har sammen med Victor A. Melezhik, begge ved NGU, lenge hatt en fot innenfor dette fagfeltet. Forskere ved Universitetet i Bergen har også i mange år interessert seg for når og hvordan livet på Jorden oppstod. Det har resultert i et Senter for geobiologi (CGB). Senteret har sitt hovedfokus på ekstreme miljøer, slike som finnes på den dype havbunnen og i den dype biosfæren.
– Forskningen rundt de aller tidligste livsformene har resultert i flere nye diagnostiske metoder som, i kombinasjon med eldre metoder, har gjort oss i stand til å oppnå en stadig bedre forståelse av de aller første livsformene og deres habitater på Jorden, sier Lepland.
Ved å bruke én av disse metodene – gransking av oksygenisotoper i fosfater – har Lepland, i samarbeid med kollegene Ruth E. Blake og Sae Jung Chang fra Yale University, gjennom en publikasjon i tidsskriftet Nature (15. april, 2010), vist at det arkeiske havet allerede for 3,5 milliarder år siden hadde en velutviklet fosforsyklus som bærer preg av biologisk aktivitet. Fosfatene de har analysert forteller også at vanntemperaturen var temperert, ca. 26-35 °C. Noe som ikke er så forskjellig fra dagens temperaturer på ekvatoriale breddegrader.
Dette er viktig informasjon, fordi vi nå kan anta at livets krybbe ikke var begrenset til områder med svært varme temperaturer hvor kun ekstremofile organismer trivdes, men også hadde gode vilkår i mer tempererte miljøer som gir større diversifikasjon.
Båndete jernavsetninger, Banded Iron Formations (BIF) og flintstein, er vanlige i sedimentære bergarter som er mer enn 1,8 milliarder år gamle. Dette er kjemiske sedimenter hvor lag med jernoksider (rød) veksler med lag av flint (hvit). Foto: Aivo Lepland
Et lagdelt hav
Temperaturene i det arkeiske havet har tidligere blitt bestemt ut fra oksygenisotopsammensetningen i flint, og flintavsetningene har blitt tolket som kjemiske utfellinger fra havvannet. Når flint felles ut, er oksygenisotopsammensetningen (18O/16O) avhengig av vannets temperatur. Jo lavere temperaturen er, jo mer tyngre oksygen (18O) blir en del av flintavsetningen. Det er gode grunner til å tro at 18O/16O i sjøvann har vært konstant opp gjennom Jordens historie, og vi skjønner da at utfellingstemperaturen kan antas ved å bestemme forholdet mellom de to isotopene 18O og 16O i bergarten. Temperaturen kontrollerer også 18O/16O i oppløst fosfat, men for å oppnå den isotopiske likevekten med havvannet må fosfat gå gjennom en biologisk syklus.
Lepland og kollegene hans kom frem til, basert på analysene av fosfater i de 3,3-3,5 milliarder år gamle bergartene i Barberton Grønnsteinsbelte i Sør-Afrika, at havtemperaturen må ha ligget på 26-35 °C under avsetningen. Dette er svært forskjellig fra tidligere temperaturestimater som ligger på 55-85 °C. De sistnevnte er basert på analyse av flint fra de samme bergartene. Men hvordan kan fosfat og flint gi så forskjellige temperaturer for bassenget de var avsatt i?
– Vi tolker denne forskjellen som at det arkeiske havet var termisk lagdelt. Det var temperert i store deler av vannsøylen, mens sterk hydrotermal sirkulasjon i berggrunnen like under havbunnen påvirket havbunnstemperaturen, forklarer Lepland.
Med et slikt termisk lagdelt hav foregikk utfelling av flint i et glohett miljø nær havbunnen, mens fosfat ble tatt opp av organismer og 18O/16O-prosessert under tempererte forhold i den biologisk aktive, fotiske sonen. I den sonen kan det ha levd fotosyntetiserende organismer slik som jernoksiderende bakterier.
Slike organismer kan også ha produsert båndete jernlag (Banded Iron Formations) som er vanlig i kjemiske avsetninger fra arkeikum og også forekommer i Barberton-området.
Jernoksidpartikler som slike bakterier produserte kunne lett absorbere oppløst fosfat med det karakteristiske øvre vannlag/lavtemperatursignalet og bringe det med seg til havbunnen, der de ble avsatt vekselvis med kjemiske høytemperatursedimenter (flint). Slik parvis oppbygging i et lagdelt osean kan dermed forklare hvorfor flint og fosfater fra den samme bergarten antyder ulike paleotemperaturer.
Gode bevis
– Ved å anvende helt nye metoder på 3,3-3,5 milliarder år gamle bergarter har vi nå nye bevis for at det arkeiske havet slett ikke var glohett overalt, men at temperaturen lå på et for oss behagelig nivå rundt 30 °C, i alle fall i det meste av vannmassene. I tillegg har vi klart å føre bevis for at en biologisk påvirket fosforsyklus allerede var godt i gang for 3,5 milliarder år siden. Dette er en svært god indikasjon på at livet oppstod lenge før disse bergartene ble avsatt, avslutter Aivo Lepland.
Urhavet var altså ganske forskjellig fra dagens hav, og det er litt besnærende å reflektere over at våre ”forfedre” kanskje svømte rundt i lunkent vann for langt mer enn 3500 millioner år siden.
Hydrotermal sirkulasjon i de aller tidligste vannmassene på Jorden resulterte i en glohet bunntemperatur, mens det nærmere overflaten var mer temperert. De øverste lagene la på den måten grunnlaget for utvikling av flere typer organismer. Illustrasjon: modifisert etter Blake et al., 2010, Nature.
Denne saken ble først publisert i GEO 03/11.
