Den stora syrekatastrofen: När cyanobakterierna orsakade världens värsta massdöd

Under sin nästan fyra miljarder år långa historia har livet på jorden tagit massiva mängder stryk. Det har funnits tider då livet nästan har raderats från jorden. Men bara nästan.

När de blågröna algerna nästan tog kål på allt liv på jorden

34:30

Man brukar räkna med fem stora utdöenden i livets historia på jorden. Fem gånger har det flercelliga livet på jorden stått vid avgrundens brant. Men varje gång har livet rest sig igen, borstat dammet av sig, och gått vidare mot nya, oanade höjder.

Här ska vi ta en titt på den första och största massdöden. Den räknas inte till de fem. För det fanns en tid innan det flercelliga livet, en lång period då det encelliga livet, mikroberna, härskade på jorden. Och mitt i den, för två och en halv miljarder år sedan, kom en riktig skräll. En av de största någonsin - alla kategorier.

Och var glad för det. För du skulle inte kunna andas annars. Du skulle inte existera annars, för den delen.

Men för två och en halv miljarder år sedan andades livet på jorden inte syre. Livet på den tiden hatade syre. Jorden befolkades på den tiden av anaeroba organismer.

Alla andas inte syre - eller kan tåla det

En anaerob organism, i stil med våra tarmbakterier, är alltså en organism som inte kräver syre för sin tillväxt. Faktum är att en del av dem inte kan tåla syre alls, vi kallar dem obligata anaerober. Och för mer än två miljarder år sedan, var så gott som allt liv på jorden av den här sorten. På våra tarmbakteriers förfäders tid.

Upp till 99 procent av allt liv på jorden dog som en följd av den här katastrofen.

Så det kom som alla tiders chock för det jordiska livet då en skara uppstickare började föröka sig kraftigt och producera syre i stora mängder. Syre, som alltså var jämförbart med den värsta stridsgas för dem. Upp till 99 procent av allt liv på jorden dog som en följd av den här katastrofen.

De uppstickande syrepruttarna orsakade inte bara en massdöd med de giftiga gaserna som de avsöndrade. De orsakade också en av planetens mest omfattande och katastrofala klimatförändringar någonsin - fast åt det kallare hållet. En serie megaistider som kallas Snöbollsjorden inleddes här. Vi kommer till det lite senare.

De uppstickande organismerna hade också en annan, lite otippad följd med sina aktiviteter. De gav oss järnet som vi använder idag. Mer om det också senare.

De här syrepruttande uppstickarna från tidens urdimmor, våra tarmbakteriers gamla nemesis, finns hur som helst bland oss än i denna dag. Ni som likt mig tillbringar sina somrar vid Östersjöns stränder vet vad jag menar. De samlar sig på våra fjärdar och i våra bastuvikar under varma, vindstilla sommardagar.

Sörjan på fjärden

Vi kallar dem blågröna alger, men de föredrar namnet cyanobakterier. För de är inte alger. Och alla är inte blågröna heller. En del av dem är giftiga till och med för oss. Det här trots att vi inte skulle finnas här utan syret som deras förfäder började med att producera.

Man kan lugnt säga att cyanobakterierna är den här planetens stora success story, ur evolutionens perspektiv. Cyanobakterierna är så kallade prokaryota organismer som förökar sig genom celldelning. I storlek varierar de mellan en mikrometer och 60 mikrometer (ett av dina hårstrån är 50 mikrometer tjockt).

Och de finns mer eller mindre överallt på jorden. Majoriteten av cyanobakterierna hittas som sagt till sjöss. Men de förekommer också på land - på de mest extrema ställen: cyanobakterier har till exempel hittats växande inuti stenar på Antarktis.

Cyanobakterierna kan leva ensamma eller flyta omkring i kolonier. Många arter bildar ett slem som håller ihop kolonin. I sina celler kan de bilda gasblåsor som de använder till att reglera sin flytförmåga. De kan bilda trådformiga knippen eller sprida ut sig platt på en yta.

Många cyanobakterier är epifyter, det vill säga de lever i symbios med högre stående organismer.

Ta nu till exempel lavarna, som utnyttjar cyanobakterier till att fixa energi, kväve och socker åt sig med hjälp av cyanobakteriernas fotosyntes. Lunglavarna, Lobaria, för att nämna ett exempel, de växer på trädstammar också här hos oss.

Men för att gå till botten med cyanobakterierna och deras roll som spridare av liv och död, måste vi ta storyn från början. Och då måste vi verkligen göra en djupdykning med tidsmaskinen, ända ned till jordens tidiga förhistoria.

Hela jordens historia på ett år

Jorden är alltså ungefär 4,54 miljarder år gammal. Fyratusen femhundrafyrtio miljoner år.

För att göra det hela lite mer överskådligt kan vi ju komprimera tiden lite. Vi knycklar ihop hela jordens ålder till ett kalenderår. På den här skalan dyker det första primitiva, encelliga livet på jorden upp omkring den 25 februari.

De första flercelliga organismerna dyker i sin tur upp den 16 augusti. Tänk på det här: vi är långt in på sensommaren innan mer komplicerade organismer tar form. Livets första årmiljarder på jorden var i ärlighetens namn ganska tråkiga. Om utomjordingar besökte oss då så var det bara encelliga varelser de hittade här. Bakterier. Inklusive cyanobakterier.

Hur som helst, på vår skala där jordens ålder komprimeras till ett kalenderår, dyker den sexuella reproduktionen upp den 17 september. De första svamparna uppträder den 15 november. De första landburna växterna ser dagens ljus den 22 november, två dagar efter de första fiskarna och två dagar före de första insekterna. Tänk lite: fiskarna, insekterna och landväxterna kommer inte förrän senhösten!

Reptilerna gör entré den 6 december, på självständighetsdagen, och däggdjuren den 13 december, på Luciadagen.

Människans första upprättgående förfäder stiger upp den 31 december, kring halv tolv på förmiddagen. Homo sapiens, den moderna människan, infinner sig senare samma dag, klockan 23:36. Jordbruket uppfinns 23:59, och den industriella revolutionen börjar 23:59:58, två sekunder före midnatt.

Så där har du skalan, i ett nötskal. Om vi utgår från att det just nu är midnatt på nyårsafton så kom vi hit för drygt 20 minuter sedan, medan cyanobakterierna har varit här sedan februari.

Hur allt började

Det är hur som helst lite omtvistat, det här med exakt när de första livsformerna dök upp. De första relativt otvetydiga tecknen på fossiliserat liv har hittats i västra Australien. I form av gamla mattor av mikrober förstenade till sandsten.

Ett ännu lite äldre spår av liv hittades på Grönland 2013. Studien om det här fyndet publicerades i tidskriften Nature 2014. Forskarna bakom studien menar att de sedimentära bergarterna som de studerade, daterade till 3,7 miljarder år, innehåller spår av stromatoliter.

Vad är stromatoliter då? Ordet kommer från grekiskans strōma, “bädd” och lithos, “sten”. Det handlar i praktiken om gamla avlagringar, växelvisa skikt av mattor med fossila mikroorganismer, oftast just cyanobakterier. Urgamla algblomningar, helt enkelt.

Inget nytt under solen.

Men det finns de som menar att livet inte har sitt ursprung under solens sken, utan att det ursprungligen kom från havets djup. Enligt en teori utvecklades livet på den unga jorden kring vulkaniska källor djupt nere i oceanerna. De så kallade hydrotermala öppningarna. De är lite som “skorstenar” på djuphavsbottnen, ofta fyra kilometer ner, där skållhett, mineralhaltigt vatten - upp till 400 grader Celsius - strömmar ut.

Och grejen med de här “svarta skorstenarna” som de också kallas - ingen hade ju tänkt sig att man kunde hitta liv i den här otroligt ogästvänliga miljön, vars existens ingen ens visste om innan 1979. Men det visade ju sig snart att det kryllar av liv där nere kring de svarta skorstenarna. 95 procent av alla livsformer som har påträffats där sedan 1979 är sådana som ingen hade sett tidigare.

Men för det här avsnittet är vi inte intresserade av exakt hur och när det första mikrob-livet uppstod på jorden. Även om det är en intressant tanke att vi alla kanske har vårt ursprung på bottnen av de djupa oceanerna, vid de vulkaniska källorna, i det eviga mörkret. Både vi och cyanobakterierna. Vi har bara tagit lite olika vägar dit till bastuviken i juli, vi och cyanobakterierna.

En smygande katastrof

Cyanobakterierna hade som sagt sin stora show, sin guldålder i den djupa urtidens dimmor. På gränsen mellan de geologiska epokerna arkeikum och proterozoikum ställde de till med sin globala, kataklysmiska överraskning som vi var inne på i början. Den stora syresättningskatastrofen, då atmosfären började fyllas med syre för cirka 2,5 miljarder år sedan.

Katastrofen började inte med ens, 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.

Fotosyntesen, den process där levande organismer tar hand om energi från solljus och lagrar den i kemiska bindningar, hade vid det här laget funnits redan ett tag. Alltså då vi närmar oss slutet på arkeikum. De första fotosyntetiserande bakterierna uppenbarar sig redan för cirka tre och en halv miljarder år sedan. Men de absorberar infrarött ljus, eller nära infrarött, snarare än synligt ljus. Och de producerar svavel snarare än syre. Deras pigment är hur som helst föregångare till det som sedan blir klorofyll.

De första syreproducerande bakterierna börjar dyka upp för omkring 2,7 miljarder år sedan. Och de jobbar med en blandning av pigment, inklusive de röda och orangea karotenoiderna, och flera olika sorters klorofyll. Det som idag ger växternas blad sin gröna färg.

Men syreproduktionen är blygsam till en början, så liten att syret huvudsakligen absorberas av ämnen i marken. Och man ska alltså notera här att syret inte fyller något behov hos själva cyanobakterierna, det är en slaggprodukt. Avgaser.

Rött och brunt snarare än grönt

Och trots att fotosyntesen har kommit igång på jorden så grönskar planeten inte ännu, precis. De gröna algerna bidar ännu sin tid, det ska ta ytterligare en miljard år innan de slår igenom. I slutet av arkeikum och under större delen av den följande geologiska epoken, proterozoikum, skiftar de syreproducerande cyanobakterierna ännu mest i rött och brunt.

Men det hindrar dem inte från att ta itu med sitt stora sabotage av den rådande ordningen. Proterozoikum, som alltså inleds för 2,5 miljarder år sedan, markeras uttryckligen av att spåren av syre börjar bli markanta i avlagringarna. Cyanobakterierna har med andra ord fått upp ångan rejält nu.

Och som sagt, för det anaeroba (syrefria) livet är syre ett dödligt gift, inte ens cyanobakterierna själva trivs med det, lika lite som vi trivs med våra egna utsläpp. Den stora syresättningen ger upphov till en av de största ekokatastroferna i jordens historia. I slutänden dör omkring 99% av alla livsformer på jorden ut.

Det här omfattar inte bara de traditionella, anaeroba livsformerna som gasas ihjäl. Också cyanobakterierna själva får med tiden smaka på sin egen medicin. Inte bara på grund av att de kvävs av sina egna avgaser - de råddar till klimatet också. Den som gapar efter mycket, och så vidare.

Studier av mineralavlagringar i Kanada, specifikt då en viss svavelhaltig mineral kallad baryt, har visat att syrenivåerna, som under den stora syresättningen har skjutit i höjden, med ens kollapsar.

Och det är en story som på ett spöklikt sätt påminner om mycket som vi känner igen från vår egen värld och vår egen tid.

Festen som fick ett abrupt slut

Sannolikt går det till så här: cyanobakterierna förökar sig kraftigt. Det jordiska livet genomgår överlag en grym spurt vid den här tiden, för 2,5 miljarder år sedan. Det utvecklas och diversifieras. Det råder alla tiders högkonjunktur på jorden.

Men högkonjunkturer kommer inte gratis. De kräver bränsle. Näring. Och här har vi cyanobakterierna som lever loppan som aldrig förr och slukar alla näringsämnen de kommer över, inte minst fosfor.

Och med ens tar näringen slut. Då tar också festen slut, till och med snabbare än den började. Cyanobakterierna svälter bokstavligen ihjäl. Det är nu som de själva börjar dö i drivor, precis som anaeroberna som de hade livet av med syret som de pruttade ur sig.

Och när de syreproducerande cyanobakterierna dör så rasar också syrenivåerna i atmosfären brant. När ingen längre fyller på förrådet som förut.

Syre tycker nämligen inte om att vara ensamt. Det vill gärna reagera med andra ämnen, och ingå föreningar. Som med järn till exempel. Det finns vid den här tiden stora mängder järn i världshaven. Järnet är upplöst i vattnet.

Men när vattnet syresätts, börjar syret reagerar med järnet. Det här får järnet att sjunka ned till havsbottnarna där det lagrar sig. På det viset uppstår de järnfyndigheter som vi idag bryter järnmalm från.

Med andra ord, ta en titt på ett valfritt järnföremål som du har i din närhet. Inte heller det föremålet skulle finnas där om det inte var för en liten levande varelse som förändrade den kemiska balansen i jordens atmosfär för mer än två miljarder år sedan.

Klimatkatastrof till på köpet

Men det tar inte slut där. En annan reaktion som äger rum är att syret som har strömmat ut i atmosfären reagerar med luftens metan. Som på det viset bryts ned till koldioxid och vatten.

Metan är en väldigt effektiv växthusgas, mer än tjugo gånger mer verksam än koldioxid. Och då en stor del av atmosfärens metan omvandlas till den svagare växthusgasen koldioxid, då blir det kallare. Mycket kallare.

I och med det här inleds det som brukar kallas för Huronistiden, den första kända istiden i vår planets historia, och en av de längsta och kallaste. Snöbollsjorden har perioden också kallats. Ordet förklarar sig självt, liksom.

Snöbollsjorden pågår för mellan 2,4 och 2,1 miljarder år sedan, i omkring trehundra miljoner år med andra ord.

De första hundra miljonerna åren var särskilt kalla, och det finns de forskare som anser att hela jorden mer eller mindre var djupfryst under den här tiden. Till och med vid ekvatorn kan det ha varit kallt som på vår tids Antarktis.

Men med tiden så strömmar det återigen ut mer koldioxid i atmosfären, i samband med vulkanutbrott, vilket får jorden att värmas upp igen och isen att smälta.

Snöbollsjorden 2

Men på längre sikt tar kylan inte slut i och med det här. För mellan 750 och 650 miljoner år sedan fryser hela jorden till is igen, återigen mer eller mindre från pol till pol. Orsakerna till den andra snöbollsjorden är lite oklara, men enligt vissa forskare kunde det bero på det flercelliga livet som hade förökat sig kraftigt strax innan. I processen sög de livsformerna upp massvis av växthusgasen koldioxid från atmosfären. Livet på jorden behöver ju kol för att växa.

Då de flercelliga varelserna (våra tidiga förfäder) sedan dog så sjönk de ned till havsbottnarna där kolet som de innehöll blev begravt och därmed återvände det inte till atmosfären som därför kyldes ned.

Teorin om snöbollsjorden skulle förklara vissa geologiska konstigheter, som glaciala avlagringar på områden som vid den här tiden befinner sig i tropikerna.

Ta nu till exempel flyttblocken som man har hittat i den Namibiska öknen. De kan inte rimligtvis ha transporterats dit av någonting annat än is.

Flera forskare motsatte sig till en början teorin om Snöbollsjorden: de menade att en så kompakt infrusen jord aldrig skulle kunna tina upp igen. Men återigen, det är här som vulkanerna kommer in: vulkaner spottar koldioxid ur sig. En växthuseffekt uppstår, som tinar upp snöbollsjorden på så lite som tusen år, vilket är en otroligt kort tid mätt enligt den geologiska tidsskalan.

Uppvärmningen blir ännu kvickare på grund av att det knappt förekommer någon nederbörd alls på snöbollsjorden. Det här betyder att regnen inte sköljer någon koldioxid ur luften, som därför kommer åt att mättas med koldioxid. Vilket i sin tur förstärker uppvärmningen.

Och nu ser livet sin chans till ännu en comeback. Super-istider som “snöbollsjorden” tycks fungera som språngbrädor för evolutionen som får sig en vitaminspruta av dem. Bara de en gång tagit slut, vill säga.

Dels förser istiderna haven med massor av läckert, fosforhaltigt sediment. Näring, med andra ord. Och dels är atmosfären mättad med koldioxid sen när de en gång tar slut. Vilket är mums filibabba för våra vänner cyanobakterierna. Så de börjar föröka sig som besatta, och de producerar som vi vet syre. Vips har jorden återigen en syrerik och varm atmosfär.

Livets comeback på bred front

Det här öppnar i sin tur dörren för den så kallade kambriska explosionen som inträffar lite senare, för omkring 540 miljoner år sedan, då det flercelliga livet formligen “exploderar” på jorden, därav namnet. Exploderar i bemärkelsen utvecklas snabbt, diversifieras, sprider sig.

Trilobiten, med sina för den här tiden väldigt välutvecklade ögon, är den här tidens superstjärna. Men också de första havslevande snäckorna uppkommer kring den här tiden. Likaså bläckfiskarna.

Och resten är historia, liksom. Det är en riktig orgie av liv – helt bokstavligt talat, det är vid den här tiden som den sexuella fortplantningen utvecklades, som nämnt. Och på den vägen är vi – tack vare att en liten blågrön alg eller cyanobakterie hade gasbesvär för länge, länge sedan. Säg inte att små, obetydliga varelser inte kan ha en stor inverkan på planeten.