Ilt steg op af havet: Livets brændstof

De har fuldstændig styr på, hvordan vandet kom til Jorden.

Og de har ret gode fornemmelser af, hvorfor jordskorpen bevæger sig og skaber høje bjerge og dybe afgrunde.

Men hvordan ilten slap fri til atmosfæren og for alvor sparkede gang i livet, har i årtier været et mysterium for forskerne. For hvorfor skulle der gå 1,2 mia. år, fra de første fotosyntetiske bakterier begyndte at producere ilt i klodens oceaner, til den potente gas kunne indåndes frit i luften?

Og da ilten endelig var sluppet fri, hvorfor dræbte den så størstedelen af livet på Jorden og kastede kloden ud i en 300 mio. år lang klimakrise?

Nu har forskerne langt om længe løst iltens gåde og fundet svaret dybt under Jordens overflade.

Jern og dybe gasser åd ilten

Ilt er et af universets mest udbredte grundstoffer. Det har atomnummer 8 – dvs. at iltatomet består af 8 protoner i kernen, som omkredses af 8 elektroner.

Når to iltatomer går sammen, danner de iltmolekylet O₂ – det, vi forstår som ilt.

For 3,6 mia. år siden var luften på Jorden kvælende giftig. Ilt var godt nok til stede, men den var bundet sammen med kulstof i gasarten CO₂, der sammen med metan, brint, kvælstof og argon udgjorde atmosfæren.

Under disse barske betingelser opstod livet i havet, hvor bl.a. bakterier kaldet blågrønalger udviklede sig. Bakterierne formede store kolonier kaldet stromatolitter og satte med deres nyopfundne fotosyntese gang i iltproduktionen i oceanerne.

Men knap havde blågrønalgerne produceret ilten, før den blev fjernet fra vandet igen. Nærmest i samme sekund ilten blev frigivet, gik den i forbindelse med opløst jern fra undersøiske kildevæld og blev udfældet som jernoxider, der lagde sig på havbunden.

Men grådigt jern i havet er kun en lille del af forklaringen på, hvorfor der gik 1,2 mia. år, fra de første blågrønalger begyndte deres fotosyntese, til ilten fandt vej til Jordens atmosfære.

I 2019 påviste kemikeren Chadlin M. Ostrander fra The University of Arizona, at selvom ilt først fandt vej til atmosfæren for 2,4 mia. år siden, indeholdt de lavvandede dele af klodens oceaner allerede for 2,5 mia. år siden fri ilt – måske endda endnu tidligere.

Fri ilt i havet burde føre til iltning af atmosfæren, for når en gas opløses i en væske, sker det proportionelt med gassens tryk over overfladen og omvendt. Fri ilt i vandet ville med andre ord betyde fri ilt i luften – hvis altså ikke gassen blev opbrugt af kemiske reaktioner, så snart den blev frigivet til atmosfæren.

Selvom den frie ilt i de lavvandede dele af havet burde have overført ilt til luften, dukkede de første spor af ilt i gasform først op for 2,4 mia. år siden – dvs. 100 mio. år senere. Forskerne undrede sig over, hvorfor det forholdt sig sådan, og i 2020 fandt de det banebrydende svar.

Under ledelse af biokemikeren Shintaro Kadoya fra University of Washington beviste en forskergruppe, at der på dette tidspunkt i klodens historie skete et afgørende skift dybt nede i undergrunden.

Jordkloden er opdelt i lag, øverst ligger jordskorpen, og under den et lag kaldet kappen. Ifølge forskerne blev kappen for 2,4 mia. år siden oxideret – dvs. at den kom til at indeholde flere forbindelser mættet med ilt, hvilket førte til en ændring i vulkanernes udstødningsgasser ved overfladen.

Hidtil havde de vulkanske gasser bestået af iltsultne stoffer som brint og kulilte, som hurtigt reagerede med de få frie iltatomer i luften, men nu udåndede vulkanerne i stedet mere vand, H₂O, og kuldioxid, CO₂, som allerede var mættede med ilt.

Stadig færre af de iltmolekyler, som blågrønalgerne sendte op i atmosfæren, blev forbrugt øjeblikkeligt, og derfor steg luftens koncentration af fri ilt langsomt, men sikkert.

Selvom ilten på lang sigt blev en gigantisk bonus for livet på Jorden, var det i første omgang en katastrofe – også for blågrønalgerne, der producerer den.

Iltoverflod førte til massedød

Ilten var nemlig ren gift for mange af de organismer, der havde levet på en iltfri Jord. Gasarten stod bag den første masseuddøen på kloden, hvor op mod 99 procent af alt liv forsvandt.

Katastrofen var dog først lige begyndt, for ilten ændrede også sammensætningen af luften og nedbrød nogle af de gasser, der havde udgjort hovedparten af den tidlige atmosfære.

Hidtil havde drivhusgassen metan lagt et låg over kloden og holdt den varm, men nu reagerede metanen med ilt. Tilsammen blev de to stoffer til kuldioxid og vand, og selvom kuldioxid også er en drivhusgas, så er den langt mindre effektiv end metan.

Resultat var, at Jorden blev ramt af et totalt temperaturkollaps, der varede i næsten 300 mio. år. Isen bredte sig flere gange fra polområderne helt til ækvator og skabte en såkaldt sneboldjord

De overlevende arter blev fortrængt til iltfattige miljøer, fx dybt under havbunden, mens nye organismer hastigt udviklede sig under de iltrige forhold.

Ilt er nemlig et ekstremt effektivt værktøj i en organismes forbrænding, det, biologerne kalder metabolisme, og indgår som brændstof i energiproduktionen i cellernes mitokondrier. Her produceres stoffet adenosintrifosfat, ATP, ud fra sukkerstoffet glukose under optagelse af ilt, en såkaldt oxidering.

Nedbrydningen af glukose med ilt til stede er 13 gange mere effektiv for organismen end metabolismen i fx bakterier, som lever uden ilt. Forskellen gav det iltudnyttende liv en kæmpe fordel.

Iltkoncentrationerne forblev dog lave – mellem 1/10 og 1/100 af nutidens – indtil for godt 850 mio. år siden, og imens forblev organismerne små. Hvorfor det forholdt sig sådan, blev forklaret i en videnskabelig artikel fra maj 2021.

Iltfattig luft giver små dyr

I undersøgelsen eksperimenterede forskere fra Georgia Institute of Technology under ledelse af biologen Ozan Bozdag med en særlig type genmodificeret gær, der opfører sig som en meget simpel, flercellet organisme ved at danne store mor-datter-kolonier.

Arten foretrækker at leve under iltrige forhold, men kan klare sig uden ilt. Forskerne holdt gæren under forskellige koncentrationer af ilt og avlede den i over 800 generationer.

Når gæren levede uden ilt og måtte drive sin metabolisme ad anden vej, fordoblede individerne deres størrelse på de 800 generationer. Det samme skete for de gærceller, som levede i høje koncentrationer af ilt.

Men når gæren blev udsat for lave koncentrationer af ilt, svarende til niveauet på Jorden frem til for ca. 850 mio. år siden, så forblev gærkolonierne små.

Forskernes konklusioner er, at ilt faktisk begrænser størrelsen på levende organismer, når stoffet kun er til stede i små mængder, for i simple organismer skal ilten trænge ind i cellerne direkte fra omgivelserne.

Derfor opstod det avancerede, flercellede liv – og dermed dyrene på Jorden – første gang med den såkaldte Ediacara-fauna for ca. 600 mio. år siden.

Livet er blevet afhængigt af ilt

I dag har dyrelivet bredt sig til hele kloden, og evolutionen har eksperimenteret vidt og bredt med respirationssystemer, der bringer ilten både ind i kroppen og rundt i organismen.

For den grundlæggende udfordring eksisterer stadig – ilten skal bringes frem til hver enkelt celle i individet, ellers dør cellen og i sidste ende organismen.

Indtil for få år siden mente forskerne da også, at alt højere dyreliv var afhængigt af ilt.

Men i 2010 fandt et forskerhold anført af Roberto Danovaro fra det polytekniske universitet i italienske Ancona tre arter af de mikroskopiske korsetdyr i Middelhavet, som – tilsyneladende – lever hele deres liv i et totalt iltfrit miljø.

Forskernes bedste bud på, hvordan korsetdyrenes celler får energi, er, at nogle arter har mitokondrielignende mekanismer i cellerne, kaldet hydrogenosomer, som kan drive cellerne uden ilt. Hydrogenosomer har hidtil kun været kendt fra meget simple organismer, som svampe, og ikke fra dyreriget.

I 2020 dukkede endnu et dyr op, som lever sit liv uden at forbrænde ilt. Her opdagede den israelske zoolog Dayana Yahalomi og hendes forskerhold arten Henneguya salminicola – et polypdyr i familie med vandmænd, der lever som parasit på laks.

Henneguya salminicola er det første dyr, forskerne kender til, som mangler den stump dna i sit genom, der koder for cellernes kraftværker, mitokondrierne. Og uden mitokondrier er der ingen grund til at optage ilt.

Akkurat som ved korsetdyrene har forskerne endnu ikke til fulde forstået, hvordan de så skaffer sig energi.

Faktum er dog, at selvom korsetdyr og lakseparasitter kan klare sig uden ilt, så kan mennesket ikke.

Og hvor den livgivende kemiske forbindelse i dag er frit tilgængelig i Jordens atmosfære, så er den en mangelvare næsten alle andre steder i universet.

Astronauter skal ånde Mars-ilt

Derfor må astronauter selv medbringe eller producere ilt, når de fx skal til Den Internationale Rumstation eller endnu fjernere destinationer.

Længst fremme med teknikken til at producere ilt på fremmede planeter er NASA, der har udstyret sin nyeste Mars-rover, Perseverance, med et anlæg til at omdanne den CO₂, som udgør størstedelen af Mars’ atmosfære, til ilt.

Forsøget MOXIE kan producere godt ti gram ren ilt pr. time. Det svarer til ca. 1/3 af behovet hos et voksent menneske. Teknikken bag MOXIE skal med andre ord skaleres op, før den er praktisk anvendelig på en Mars-mission.

Ud over at holde besætningen i live skal MOXIE – eller en tilsvarende teknik – producere den ilt, der skal genoptanke rumskibet, så det kan vende tilbage til Jorden. Beregninger fra NASA viser, at det kræver ca. 25 tons ilt at forbrænde de 7 tons rent raketbrændstof, en hjemtur for fire astronauter kræver.

At finde ilt på Mars er ikke noget problem. Stoffet er det tredjehyppigste i universet, efter brint og helium, og findes overalt i utallige kemiske forbindelser.

Udfordringen bliver, at uanset hvordan ilt skal frigives fra fx CO₂, så skal de kemiske bånd mellem atomernes brydes – og det kræver energi.

Så ud over MOXIE eller et lignende apparat i stor skala skal astronauterne også medbringe udstyret til at producere energi, fx solceller eller transportable atomreaktorer.

Derfor kan MOXIE nemt ende med at blive overhalet indenom af en helt anden teknologi.

I 2020 viste tre forskere fra Washington University under ledelse af kemikeren Pralay Gayen nemlig, hvordan det ekstremt stærke saltvand, der er fundet på Mars, kan splittes til ilt og brint med teknikken elektrolyse.

Processen forbruger blot 1/25 del af den energi, MOXIE kræver for at producere en tilsvarende mængde ilt – en fordel, der er svær at overse på en rumfærd, hvor hvert eneste kilo last koster enorme ressourcer at sende afsted.

Atmosfære går i barndommen

På et tidspunkt vil det blive nødvendigt at skabe ilt på Jorden i samme omfang, som fotosyntesen gør i dag. Jordens produktion går nemlig i stå, når Solen om godt en milliard år gør planeten for varm til planteliv. Det forudser astrobiologen Kazumi Ozaki fra Toho University og hans kollega Christopher T. Reinhard i en undersøgelse fra marts 2021.

De to forskere har kørt klimamodeller for Jorden, ikke blot til år 2100 eller år 2500, men millioner år ud i fremtiden.

I alle modellerne bryder Jordens atmosfære sammen og efterlader kun ca. 1 pct. af den nuværende mængde ilt, men til gengæld masser af kuldioxid og metan – præcis som på den unge Jord, før ilten i første omgang steg op i atmosfæren.

På den måde vil Jorden ende, hvor den begyndte.