Vi vet ikke hvordan livet på Jorden oppstod. Vi kan ikke en gang si med sikkerhet når det skjedde. Forskere over hele verden er travelt opptatt med å forstå den biologiske og geologiske utviklingen gjennom de første fire milliarder år av Jordens historie.
For omtrent hundre år siden kunne ikke de eldste tegnene til liv spores lenger tilbake enn til begynnelsen av kambrium, for drøyt 500 millioner år siden. Men de komplekse formene som ble påvist kan ikke ha sprunget ut av ingenting. Derfor var det naturlig å tro at primitive former for liv måtte ha eksistert før den tiden. Og riktignok, ved nærmere undersøkelser av prekambriske bergarter ble det senere gjort mange funn av mikrofossiler, men også makrofossiler.
Fagfeltene paleobiologi og geobiologi har i de siste tiårene nytt godt av en enorm utvikling i teknologi og metoder. Resultatet er flere nye funn av biosignaturer eller spor etter liv. I tillegg har den plutselige økningen i atmosfærens oksygeninnhold for 2,3-2,4 milliarder år siden (se figur) blitt brukt som et indirekte geokjemisk «bevis» på at oksygenproduserende bakterier oppstod ganske tidlig i Jordens utvikling.
Kampen om rekordene
Algelignende strukturer i Gunflintformasjon i Canada ble viden kjent da den amerikanske paleontologen George G. Simpson etter mange års forskning kunne fastslå de hadde en biologisk opprinnelse, og i 1968 kunngjorde han i boken «Evolusjonens betydning» at «livet er minst to milliarder år gammelt».
I 1993 publiserte den amerikanske paleobiologen William Schopf en artikkel hvor han beskrev karbonrike, mikroskopiske strukturer som han hadde funnet i den 3,5 milliarder år gamle Apex flintstein i Pilbara, Australia. Han mente at vi hadde å gjøre med mikrofossiler av 11 ulike typer bakterier.
Den danske geologen Minik Rosing har forsket på metamorfe bergarter på Isua, Grønland, og funnet grafitt i 3,8 milliarder år gamle sedimenter. Han mener de har egenskaper som kan forklares med en biologisk opprinnelse.
«Rekordinnehaver» er imidlertid den amerikanske geologen Stephen Mojzsis. I en artikkel fra 1996 hevder han at karbonpartikler funnet i 3,87 milliarder år gamle bergarter fra Akilia, Grønland, som antas å være verdens eldste sedimenter, bærer en biologisk signatur.
I 1999 publiserte den australske paleobiokjemikeren Jochen Brocks og flere av hans kolleger et spennende funn av organisk materiale i en svart skifer fra Roy Hill, Pilbara, Australia. Flere typer sammensatte organiske molekyler (lipider) indikerte at det fantes cyanobakterier og eukaryoter allerede for 2,7 milliarder år siden. Oppdagelsen vakte stor oppsikt fordi dette økte den paleontologisk daterte minimumsalderen til eukaryoter med over 500 millioner år.
En annerledes tilnærming for å spore opp det aller eldste liv på Jorden er å lete andre steder enn i sedimentære bergarter. Professor Harald Furnes ved Senter for geobiologi ved Universitetet i Bergen har latt seg inspirere av tegn på biologisk aktivitet i basaltisk glass fra putelava i både moderne og gammel havbunnskorpe, og i 3,5 milliarder år gammel putelava fra Barberton, Sør-Afrika, har han faktisk funnet mulige biomarkører (GEO 02/2004).
Jorden er nesten 4,6 milliarder år gammel. Spor etter liv er likevel sparsomt fra de første fire milliarder årene (prekambrium). Den blå kurven viser endringer i atmosfærens oksygeninnhold over tid. Legg merke til at skalaen er logaritmisk. Dagens nivå representerer her 100 % (21 % oksygen). Gjennom de første to milliarder år er oksygeninnholdet nærmest neglisjerbart. Etter The Great Oxidation Event øker oksygennivået til 1-40 prosent av dagens nivå. Den neste store økningen skjer ved overgangen mellom prekambrium og kambrium og kan settes i sammenheng med oppblomstringen av livet i havet i kambrium. Illustrasjon: Aave Lepland
Et lite tilbakeskritt
Rundt tusenårsskiftet var astro/geo/bio-forskersamfunnet preget av diskusjoner om hvorvidt de eldste funnene av levninger etter organismer kunne tjene som troverdige bevis på når og hvor livet hadde blitt til. Det ble sådd tvil om flere av de mest sensasjonelle oppdagelsene. Blant annet ble Apex mikrofossiler og biologisk relevans av Akilia karbonpartikler sett på som usikre og kontroversielle.
Brocks’ molekylære biomarkører forble imidlertid akseptert, og funnene stod frem som et sikkert bevis på at fotosyntetiserende, surstoffproduserende organismer eksisterte for minst for 2,7 milliarder år siden. Flere aspekter ved funnet passet likevel ikke helt med den rådende viten om Jordens og livets utvikling. Det var bl.a. ganske underlig hvorfor det tok så lang tid fra de surstoffproduserende organismene hadde utviklet seg til atmosfæren forholdsvis brått fikk en rask økning i oksygeninnhold for ca. 2,4-2,3 milliarder år siden (se figur) – det vi kaller the Great Oxidation Event (GOE). Denne raske stigningen i atmosfærens oksygeninnhold, godt dokumentert i geologiske data, regnes som den mest pålitelige ledetråden til utvikling av organismer som produserer oksygen. Tidsgapet på mer enn 300 millioner år mellom Roy Hills molekylære fossiler av cyanobakterier og økningen i oksygeninnhold bød på hodebry for mange innenfor dette forskningsfeltet.
I fjor høst publiserte imidlertid en arbeidsgruppe, ledet av den australske forskeren Birger Rasmussen, med Jochen Brocks som medforfatter, nye analyseresultater fra den samme bergarten fra Roy Hill, der Brocks i 1999 hadde funnet de berømte molekylene. Men denne gang ble en ny og mer avansert teknologi brukt for å teste opprinnelsen av organiske komponenter. Resultatene avslørte at molekyler, tidligere tolket som bruddstykker av cyanobakterier og eukaryoter, ikke tilhørte noen av de opprinnelige organiske komponentene i skiferen. De er sannsynligvis forurensninger etter sedimentenes omdanning ved høye (200-300 °C) temperaturer for ca 2,15 milliarder år siden.
Selv om dette studiet bidro til at et «sikkert» bevis på en viktig milepæl i livets utvikling ble ugyldig, betyr det likevel ikke at slike organismer ikke kunne ha eksistert tidligere i Jordens historie. Flere andre lignende funn har blitt beskrevet i gamle sedimentære bergarter som ble avsatt før oksygennivået i Jordens atmosfære begynte å stige fra nær null til noen få prosent.
Den voksende mengden med informasjontvinger oss til å tenke annerledes: Hva om den lange ventetiden ikke skyldes mangelen på bakterier? Hva om det krydde av mikrober i urhavet, av slike som ikke produserte oksygen?
Jernmalm – et livstegn
Båndete jernavsetninger, Banded Iron Formations (BIF), er vanlig i sedimentære bergarter som er mer enn 1,8 milliarder år gamle. Dette er kjemiske sedimenter hvor lag med jernoksider veksler med lag av kvarts. Formasjonene kan bli mange hundre meter tykke, de finnes mange steder på Jorden, og til sammen utgjør de verdens aller viktigste jernmalmressurs. Jernmalmen i Kirkenes er for eksempel en «BIF».
Den gjengse oppfatningen er at jernoksidene er dannet ved oksidering av oppløste Fe2+ ioner på grunt vann hvor fotosyntetiserende cyanobakterier har vært kilden til oksygen. Oksygenet ble brukt opp av et overflod av oppløst jern i sjøvannet og dannet uoppløselige Fe3+-hydroksider (jernavsetning). Disse kjemiske reaksjonene skjedde gjennom flere hundre millioner år og kan ha forsinket utviklingen av miljøet med fritt oksygen fram til for ca. 2,3-2,4 milliarder år siden.
I den senere tid har det dukket opp nye teorier som forklarer dannelsen av båndet jernavsetninger, og den tyske geologen Nicole Posth beskriver i en artikkel i Nature i 2008 om eksperimenter som ble gjort for å fastslå de kjemiske, fysiske og biologiske betingelsene for dannelse av BIF-lignende sedimenter i oksygenfrie omgivelser. Forskerne fant ut at andre mikroorganismer, som nytter seg av solens energi uten å produsere oksygen (anoksygene fototrofer), godt kan forvandle Fe2+ til Fe3+. De fant også ut at jernoksiderende bakterier reagerte på temperaturforandringer, og at abiogene avsetninger av silisiumrike mineraler tok overhånd når temperaturen var noe lavere eller høyere enn ca. 20-25 °C.
De eldste BIF-er er funnet på Isua, Grønland, og ved Hudson Bay, Canada og har en alder på 3,8 milliarder år. Hvis dannelsen av disse har sammenheng med jernoksiderende bakterier, vil derfor jernbergartenes eksistens selv være et tegn på levende liv.
Gåtefulle steintepper
Spor etter de eldste livsformene er vanskelig å oppdage, ikke bare fordi sedimentene er veldig gamle, men også fordi de første mikroskopiske organismene manglet harde deler som kunne bli bevart i sedimentene. Stromatolitter kan være et unntak. Stromatolitter (fra gresk: «steinteppe») er laminerte strukturer som «vokser» i grunt vann ved at små sedimentpartikler fester seg til slimet fra levende mikroorganismer, særlig cyanobakterier, men også anoksygene fototrofer, og danner stolper, hauger eller matter.
Stromatolittliknende strukturer er funnet i gamle bergarter som er opp til 3,5 milliarder år gamle. Et ønske om å bevise livets eksistens ved hjelp av noe så håndgripelig, mens alle andre studieobjekter er av mikroskopisk størrelse, har holdt interessen oppe siden de første gang ble beskrevet på 1870-tallet. Men selv om fossile stromatolitter på mange måter ligner moderne, voksende kolonier, har ikke alle latt seg overbevise om stromatolittene har en biogen opprinnelse. Etter at datamodelleringer viste at slike laminerte strukturer kan etterlignes av kjemiske reaksjoner og fysiske krefter, har det blitt sådd enda mer tvil om stromatolitter kan være biomarkører.
Nå har imidlertid den franske biogeologen Kevin Lepot studert 2,7 milliarder år gamle stromatolitter i Australia. Han fant små, runde partikler av organisk materiale, formet som celler, inne i stein. Ved hjelp av en spesiell teknikk, fant de ut at organisk materiale inneholder en blanding molekyler som er signaturer for liv. I aggregater med de runde partiklene lå bitte små aragonittkrystaller. Aragonitt er et ustabilt mineral som sjelden finnes i gamle sedimenter fordi det lett omdannes til kalsitt (før dette funnet kjente man ikke til aragonitt som var eldre enn 350 millioner år). Men mikroskopiske aragonittkrystaller kan bevares hvis de beskyttes av rester av mikrober, og dette gir oss enda et bevis på mikroorganismenes tilstedeværelse.
Basert på undersøkelser av 3,4 milliarder år gamle bergarter i Australia hevder den australske forskeren Abigail Allwood at stromatolitter er så sammensatte og forekommer i et så stort mangfold at de må ha vært levende. Påstanden støttes av undersøkelser av vekstmiljø (grunt hav), og at formen til noen av stromatolittene ikke kan forklares med bare mekanisk opphoping av fine sedimenter.
Andre lar seg likevel ikke overbevise. Blant disse finner vi Nicola McLaughlin som jobber ved Senter for geobiologi ved Universitet i Bergen. Hun mener at de mest primitive livsformene lett kan etterlignes av andre prosesser. Hun etterlyser et sett av geokjemiske og morfologiske kriterier som entydig kan identifisere liv.
Godt håp om bedre forståelse
Mye av det vi tror og mener om den tidligste perioden i livets utvikling er basert på geokjemiske spor etter organismer. I beste fall kan vi bruke disse sporene til å identifisere organismene og finne ut om hvordan de livnærte seg og hvor de tok energien fra. Det er imidlertid også en mulighet for at de geokjemiske signalene er tvetydige, og at de biogene og abiogene signaler lett forveksles. Den senere tids teknologiske utvikling gir oss imidlertid tro på at forbedrete analysemetoder kan bidra til at vi skaffer oss ny kunnskap om livets utvikling tidlig i Jordens historie.
Cyanobakterier
Blågrønne mikroorganismer som har evnen til å utnytte solenergi til å danne organisk materiale gjennom fotosyntesen.
Eukaryoter
Organismer med cellekjerne. Begrepet omfatter alle høyere organismer som planter og dyr.
Molekylære biomarkører
Organiske molekyler som indikerer eksistensen av levende organismer.
Fotosyntese
Noen organismer benytter lysenergi til å omdanne uorganiske forbindelser (CO2 og H2O) til organiske forbindelser (karbohydrater, CH2O) gjennom fotosyntesen, med oksygen (O2) som biprodukt. Jernoksiderende anoksiske fototrofer danner organiske forbindelser med oksidert jern (Fe3+) som biprodukt (anoksisk fotosyntese).
The Great Oxydation Event (GOE)
En rask økning i innholdet av oksygen i atmosfæren for 2,4-2,3 milliarder år siden. En av de mest grunnleggende overganger i Jordens historie.
Banded Iron Formation (BIF)
Gamle kjemiske sedimenter bestående vekselvis av jernoksider og kvarts.
