Kvanthopp: Stenkol, järn och guld, tre av vår civilisations grundpelare – här är deras fascinerande ”skapelseberättelse”

Kol, järn och guld är en sorts helig treenighet när det kommer till vår industri, vår tillväxt här på den här planeten – tillväxt, på gott och ont.

Kol, järn och guld, civilisationens tre grundpelare

32:52

Vilka tre grundämnen skulle du ta med dig till en öde ö? Om målet skulle vara att starta en ny civilisation där? Vilka tre grundämnen har varit viktigast för oss människor just när det kommer till vår civilisation?

De tre grundämnen som jag föreslår är naturligtvis ingen absolut och slutgiltig sanning, någon annan kan landa på en annan trio. Men mitt val av grundämnenas heliga treenighet är:

• Kol, som har fungerat som både vår civilisations bränsle och som hörnstenen i allt levande på jorden, inklusive våra odlingsväxter och våra egna kroppar. Och mer specifikt då fossilt kol, eller stenkol.

• Järn, som har fungerat som byggnadsmaterial och som vi har tillverkat våra redskap, våra maskiner och våra vapen av.

• Och guld, som var den första metall vi kom i kontakt med. Guld har använts som betalningsmedel, som myntfot, som smycken och som allsköns påkostad dekoration, och som symbol för beständighet, värde och excellens, för att nu nämna någonting.

Kort sagt, om vår civilisation har en motor, så är järnet vad den är byggd av, kolet är bränslet, och guldet är smörjmedlet som får motorn att snurra. Money makes the world go around, liksom.

Jag ska inte snacka desto mer om ekonomisk teori, jag tänkte huvudsakligen hålla mig till hur de här tre grundämnena kom till jorden och hamnade i vår civilisations verktygsback, så att säga. Det finns mycket spännande stuff att ösa ur där.

Den industriella revolutionens livsblod

Vi börjar genomgången av den heliga material-treenigheten från grundämnet med den minsta atommassan – kol – och arbetar oss uppåt därifrån. Och nu tänkte jag med avsikt skippa kolets biologiska roll. Visst, kol är basen för all organisk kemi, och för allt liv, all biologi på jorden. Men nu hoppar vi över biokemin.

I stället tänkte jag fokusera på kol i bemärkelsen stenkol, som matade eldstäderna under den tidiga industriella revolutionens ångpannor och som fortfarande bidrar med en skrämmande stor andel av världens energiproduktion.

Stenkol är som namnet säger, fossiliserat kol. Biomassa som har begravts i marken och förvandlats till sten under långa tidsrymder.

Det är ett intressant faktum att större delen av allt kol som vi bryter numera, och som vi någonsin har brutit, bildades på en och samma gång, under en relativt kort och begränsad tidsrymd. Inte allt, men en väldigt stor del.

Det här är för övrigt någonting som grundämnena i den heliga material-treenigheten har gemensamt: deras tillblivelse och ankomst till jorden var plötslig, och går att spåra till en specifik händelse eller fenomen.

Den största delen av det stenkol som vi använder idag bildades alltså under den geologiska perioden som kallas karbon. Karbonperioden började för cirka 359 miljoner år sedan och pågick till för omkring 299 miljoner år sedan. Så i ungefär i 60 miljoner år rådde festen, vars rester vi använder som bränsle än i denna dag.

Och som periodens namn säger, så var det här verkligen kolets tidsålder. De två väldiga kontinenter som fanns på jorden under den här tiden, Laurasien i norr och Gondwanaland i söder, täcktes av stora sumpskogar, enorma träsk där ormbunkar växte. Men inte som de små saker som växer i trädgårdarna här hemma, utan i form av enorma fräken- och lummerväxter som i praktiken var gigantiska träd.

Det är de här skogarna som med tiden bildade största delen av det stenkol som vi utvinner idag. Kolavlagringarna från karbon utgör här i Europa ett stenkolslager som sträcker sig från Storbritannien och Belgien genom Centraleuropa till norr om Svarta Havet. Inte minst i Donetsbäckenet i Ukraina.

Men i alla fall: vad vi snackar om här är 350 miljoner år gamla, fossiliserade skogar.

Det fallna trädet, mikrobernas buffé

Och här kommer vi till den verkligt spännande biten. Till orsaken bakom att det uppstod en sådan mängd biomassa, inte minst trä, som sedan kunde fossiliseras.

Varför bröt inte mikroberna ner allt det här, så som de gör idag med all biomassa som blir och skräpar när växterna dör. Ett dött träd är ju numera som en enorm buffé för all världens svampar, bakterier och andra mikro-organismer som använder trädet till näring. Samtidigt bryter de ned trädet till nyttiga ämnen som nya växter kan utnyttja, näringsämnen som på det viset återvänder till kretsloppet.

Också själva kolet, som ligger som grund för alltsammans, cirkulerar på just det här sättet, vi talar om kolcykeln eller kolets kretslopp.

Men så här funkade det inte i början av karbon, för 360 miljoner år sedan. Kolets kungadöme. Trädens kungadöme. Det här var verkligen skogarnas stora tidevarv. Dock utan fågelsång – och blommor. Varken fåglar eller blommor fanns ännu.

Några av den tidens träd var verkliga giganter: uppemot femtio meter höga, med ormbunksliknande blad som satt ovanpå tunna men som sagt, höga stammar. Högre och högre tänjde sig träden, i den ständiga kampen om en plats i solen. För att kunna sträcka sig högre, använde de sig av cellulosa och en ny sorts superstark fiber som heter lignin.

De här träden såg inte bara besynnerliga ut. I sin strävan att växa sig höga för att inte överskuggas av sina grannar, glömde de bort att förse sig med ett tillräckligt djupt och stabilt rotsystem. Karbonperiodens träd blev höga och ramlade omkull ganska lätt.

Så föreställ dig då alltså de här väldiga skogarna, ofta i form av träsk, med höga, ormbunksliknande träd. Luften är varm och fuktig, och hela kontinenter täcks av miljarder träd som alla suger kol från luften, växer, åldras, dör och faller till marken. Karbonperiodens landmassor är en väldig begravningsplats full av döda träd som staplas ovanpå varandra.

Var är alla hungriga mikrober?

Och här är grejen: när dessa träd dog bröts de inte ned. Dels sjönk de ofta ned i de syrefattiga träsken, men inte minst så saknades största delen av de bakterier, svampar och andra mikrober som idag skulle ha tuggat i sig och brutit ned den döda veden.

Lignin, mirakelmaterialet som gjorde det möjligt för träden att växa sig starka och höga, var lite av den tidens motsvarighet till vår tids plast. (Och lignin är ju de facto en polymer.) Det hade inte hunnit utvecklats mikrober kapabla att bryta ned lignin ännu under karbonperioden.

Så det hela ledde till en märklig obalans. Mat att äta i massiva mängder, men ingen där för att äta det.

Istället hopades fallna stammar och grenar ovanpå varandra, och vikten av allt det tunga virket komprimerade så småningom trävirket, först till torv och sedan till fossilt kol. Stenkol.

Och vi snackar alltså om en riktigt spektakulär mängd kol här. Biokemisten Nick Lane, som National Geographic har talat med, gissar att kolbildningshastigheten då var 600 gånger den normala hastigheten nu i vår tid.

Det här ledde till att uppemot nittio procent av allt det stenkol vi eldar idag kommer från en och samma geologiska period, karbonperioden. Och för allt det här kolet kan vi alltså tacka ett gäng med lignin-tuggande mikrober som anlände på tok för sent till festen, så sent att det mesta godiset redan hade hunnit fossiliseras.

Och som sagt, det här är ju en prima analogi för vår tids plast. Också plasten blir liggande och skräpar ned vår natur, av två orsaker: ett, vi människor är grisar som inte städar upp efter oss, och två, det finns inga bakteriestammar ännu som kan bryta ned all den här plasten. Åtminstone inte i stor skala. De är på väg, men det dröjer ännu innan de hinner få upp farten. Så innan dess kanske vi bara borde få tummen ur ändan och se till att städa upp vårt plastskräp. Hur svårt kan det vara?

Järnet, biprodukten från världens värsta ekokatastrof

Nåja, det var alltså storyn om hur kolet kom till marken. Nummer ett i vår treenighet med civilisationens grundpelare, kol, järn och guld.

Berättelsen om hur nästa grundpelare kom till är minst lika spännande. Storyn om hur järnet som vi använder till våra maskiner och våra redskap kom till jorden är samtidigt storyn om en av de värsta globala ekokatastroferna i planetens fyra och en halv miljarder år långa historia.

Och det är små, levande varelser som utlöser den katastrofen. Naturligtvis gjorde de inte det med avsikt, lika lite som vi gör det (trots att vi, i motsats till dem, har ett medvetande och en fri vilja). Vägen till helvetet är nu bara stensatt med goda föresatser, en gång för alla.

De skyldiga i den här katastrofen som alltså ägde rum för länge sedan, för två och en halv miljarder år sedan – tvåtusen femhundra miljoner år sedan – var cyanobakterierna, eller de blågröna algerna, som vid den här tiden hade lärt sig ett nyttigt knep: fotosyntes.

Fotosyntesen är processen som gröna växter, alger och vissa bakterier utnyttjar, som omvandlar koldioxid, vatten och ljusenergi till kolhydrater och – här kommer vi till kruxet – syrgas. De blågröna algerna var alltså först med att tillämpa det här i större skala.

Växterna och algerna etcetera har ingen större poäng med att producera syre med sin fotosyntes, det är helt enkelt en avgas. Och den gången, för mellan tre till två och en halv miljarder år sedan, fanns det ännu inget av den här avgasen i luften. Väldigt lite i alla fall.

Jordens atmosfär har alltså under största delen av planetens historia varit syrefri. Vilket har en kul liten bieffekt – under de första miljarderna åren av jordens existens förekom det ingen eld på jorden. Eftersom eld ju behöver syre för att kunna brinna. Finns det inget syre i luften kan det heller inte finnas någon eld.

Tills de blågröna algerna dyker upp och börjar rådda med saker och ting. Med sin fotosyntes då, som sagt. Och plötsligt börjar syrenivåerna i luften stiga brant. Det går såklart inte över en natt. Det var inte så att det ena dagen fanns noll syre i luften, och nästa var det fullt av den gasen. Det hela var mera av en smygande händelse.

Syre-revolutionen som förebådade järnåldern

Syreproduktionen är blygsam till en början, så liten att syret huvudsakligen absorberas av ämnen i marken. Men i början av proterozoikum, den geologiska eon som börjar efter arkeikums slut, 2 500 miljoner år före nutiden, markeras uttryckligen av att spåren av syre börjar bli betydande i avlagringarna. Cyanobakterierna har med andra ord fått upp ångan rejält nu.

Och vad som händer härnäst är att cyanobakterierna gasar ihjäl nästan allt liv på jorden. Det värsta massutdöendet som den här planeten har sett. Sånär som på en ynka procent lyckas cyanobakterierna nästan sterilisera planeten totalt den gången, så grundliga är de i sitt härjande. Nittionio procent av allt liv på jorden stryker alltså med. Vi känner till det skedda som The Great Oxidation Event, den stora syrehändelsen.

Men nu snackar vi alltså inte om syre här, temat för den här delen av avsnittet är som sagt järn. Och här kommer järnet in i bilden. Det finns vid den här tiden stora mängder järn i världshaven, upplöst i vattnet. Men nu kommer alltså syret och blandar sig i havsvattnet. Och syre älskar att reagera med och ingå föreningar med andra ämnen. Inte minst just med järn.

Så när havsvattnet syresätts, börjar syret reagera med järnet. Det här får järnet att sjunka ned till havsbottnarna där det lägger sig i järnhaltiga stråk. Det kallas bandad järnmalm på modern geolog-jargong.

Bandad järnmalm förekommer i jordens äldsta bergarter, med start för cirka tre miljarder år sedan, men allra rikligast är de i avlagringarna från början av proterozoikum, för omkring två och en halv miljarder år sedan. Då när cyanobakterierna på allvar började komma igång med sitt syrepruttande.

De järnhaltiga bandformationerna blir efter det här ovanligare i bergarter yngre än 1 800 miljoner år, från tiden när det mesta järnet redan hade hunnit avlagra sig från havsvattnet.

Det säger någonting om intensiteten i cyanobakteriernas syreproduktion, att mängden syre som finns bundet i de här stråken av bandad järnmalm uppskattas vara omkring tjugo gånger större än syrehalten i dagens atmosfär. Fyndigheterna av bandad järnmalm kan vara flera hundra meter tjocka och utgör större delen av världens järnmalmstillgångar.

Och precis som med kolet som avlagrades under karbonperioden, har vi alltså att göra med resultatet av små, levande organismers aktivitet. Eller små och små – träden under karbonperioden var ju jättestora, men mikroberna som inte hann dyka upp i tid för att smaska på dem, var pyttesmå. Precis som cyanobakterierna som gav oss vårt järn.

Men i alla fall, ta en titt på ett valfritt järnföremål som du har där hemma, en gryta eller en skruvmejsel eller någonting. De skulle inte finnas där utan pyttesmå levande varelser som förändrade den kemiska balansen i jordens atmosfär för mer än två miljarder år sedan.

Guld, människans första kontakt med metallerna

Men nu lämnar vi järnet och går vidare till det tredje och sista grundämnet i vår civilisations heliga treenighets-material. Kolet, vår civilisations bränsle, järnet, dess byggnadsmaterial, och till slut – guldet, dess smörjmedel, så att säga.

Guld behöver ju ingen introduktion, egentligen. Alla vet ungefär vad guldet har betytt för vår kultur och vår civilisation – och vår ekonomi. Guld var sannolikt den första metall som människor kom i kontakt med, eftersom det till skillnad från andra metaller förekommer som klimpar av guld på marken. Ädelmetallen guld ingår inte i föreningar på samma sätt som järn.

Men det verkligt spännande med guldet är hur det kom till, och hur det kom till jorden. Och precis som med kolet och järnet, så har vi igen att göra med en serie specifika och plötsliga händelser.

De flesta av de tyngre grundämnena i det periodiska systemet, i princip allting tyngre än järn, tros ha bildats i samband med supernovaexplosioner som drabbar särskilt massiva stjärnor i slutet av deras livscykel.

Vissa forskare menar att det här inte räcker till för att de allra tyngsta grundämnena ska kunna smidas, inklusive guldet. För att guldatomer ska kunna bildas krävs en ännu våldsammare händelse än en supernovaexplosion: två neutronstjärnor som kolliderar.

Den här sortens kosmiska jätteskrällar skapar extrema temperaturer och tryck som gör att lättare atomkärnor kan slås samman till tyngre, inklusive guld. Det nybildade guldet slungas sedan ut i rymden som stjärnstoft, där det med tiden ingår i nya stjärnor och planeter som bildas.

Eftersom jorden var en boll av smält lava när den bildades, sjönk förmodligen nästan allt guld som fanns i den tidiga jorden in i planetens inre, ned i kärnan. Därför tror forskarna att det mesta av guldet som finns i jordskorpan och i manteln levererats till jorden senare.

Det regnar guld, bokstavligen

Guldet har bokstavligen trillat från skyn, i form av asteroidnedslag under det så kallade sena tunga bombardemanget, för cirka fyra miljarder år sedan.

Under det sena tunga bombardemanget tros särskilt mycket meteoriter ha regnat ned på de inre planeterna, särskilt Merkurius, men också jorden och dess måne. Om det här vittnar en mängd stora nedslagsbassänger och kratrar, något som är särskilt tydligt på månens bortre sida, som ser ut som en riktig kosmisk skjutbana.

Och grejen med asteroider är att de ofta är fullproppade med allsköns dyrbara metaller, inte minst guld. En stor del av det guld som vi har utvunnit här på jorden har länge associerats med ett visst asteroidnedslag. Asteroiden som bildade Vredeforts nedslagskrater för cirka två miljarder år sedan har ofta krediteras med att ha försett Witwatersrandbassängen i Sydafrika med de rikaste guldfyndigheterna på jorden.

Men det här scenariot har ifrågasatts under senare tid. De guldbärande meteoriterna från Witwatersrand föll sannolikt snarare mellan 700 och 950 miljoner år före Vredefort-nedslaget.

Vad Vredefort-skrällen däremot gjorde var att den rörde om i Witwatersrandbassängen på ett sådant sätt att guldet djupt nere i marken fördes upp nära den nuvarande jordytan nära Johannesburg, strax innanför kanten av den ursprungliga, 300 km stora kratern från Vredefortnedslaget.

Upptäckten av guldfyndigheten i Vredefortkratern 1886 startade en guldrush till Witwatersrand, som bland annat ledde till att Johannesburg grundades. Och den guldruschen har inte tagit slut ännu heller. Ungefär 22 % av allt guld som går att utvinna på jorden har utvunnits och fortsätter att utvinnas från de här klipporna i Witwaterstrand i Sydafrika.

Det här var alltså tre berättelser om tre viktiga grundämnen som har försett vår civilisation med bränsle, maskiner och betalningsmedel. Vilka andra grundämneshelheter skulle du vilja höra om? Skriv dina förslag eller frågor till kvanthopp@yle.fi

Kol, järn och guld, civilisationens tre grundpelare

32:52