Zesenzestig miljoen jaar geleden viel er een 10 kilometer brede ruimterots uit de lucht boven wat nu het schiereiland Yucatán in de Golf van Mexico is. Toen het de aarde raakte, blies het een gat ter grootte van Maryland in de korst, ontketende het wereldwijde vuurstormen en doodde het ongeveer 75 procent van de soorten. Voor de dinosaurussen die daardoor uitstierven, betekende de gebeurtenis in feite het einde van de wereld. Maar uit de as ontstonden overlevenden, onze zoogdiervoorouders, die een nieuw tijdperk in de geschiedenis van de aarde inluidden.
Tegenwoordig wordt deze catastrofale inslag beschouwd als een kosmische daad van creatieve vernietiging, een zonder welke wij mensen niet zouden bestaan. Toch was de beruchte inslachter van deze gebeurtenis niets vergeleken met de asteroïde die 3,26 miljard jaar geleden op aarde insloeg, in wat wetenschappers het Archeïsche tijdperk van de 4,5 miljard jaar oude geschiedenis van onze planeet noemen. De ruimtesteen uit het Archeoïcum bij die inslag, die “S2” werd genoemd, was 50 tot 200 keer zo groot - groot genoeg om minstens 10.000 kubieke kilometer verdampt gesteente de lucht in te blazen, dat vervolgens weer condenseerde tot gesmolten druppels en terug naar de aarde regende. Het zal niemand verbazen dat deze omstandigheden “echt rampzalig zouden zijn geweest voor het vroege leven”, zegt Nadja Drabon, geoloog aan de Harvard Universiteit. Maar haar meest recente onderzoek suggereert dat, net als de meer gevierde inslag die dodelijk was voor de dino's, deze veel grotere en oudere botsing ook een positieve kant had en de vroege biosfeer van de aarde een krachtige impuls gaf.
“Wat we vonden was echt verbluffend,” zegt Drabon. Samen met een aantal collega's onderzocht ze rotslagen in Zuid-Afrika en ontdekte dat de inslag van de S2 niet alleen enorme hoeveelheden verdampt gesteente had voortgebracht, maar ook enorme tsunami's had veroorzaakt en de bovenste laag van de oceaan had doen wegkoken. Maar de inslag pompte ook fosfor en andere bio-essentiële elementen in de voedselarme zeeën van de wereld, waardoor een bloei van leven op gang kwam.
En hoewel de inslag van de dino-killer een spoor van ecologische verwoesting achterliet dat miljoenen jaren duurde, waren de nare gevolgen van deze veel grotere botsing te kortstondig om zichtbaar te zijn in chemische analyses van de gesteentelagen, aldus Drabon. De omstandigheden waren verschrikkelijk “voor een paar jaar, misschien een paar decennia”, zegt ze. “Maar daarna herstelde het leven zich heel snel.” Haar nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences USA, suggereert dat gigantische inslagen een nog grotere invloed hadden op de vroege biosfeer van de aarde dan tot nu toe werd aangenomen en dat de bewoners van het Archeoïcum veel beter bestand waren tegen dit soort schokken dan het huidige leven vandaag de dag zou zijn.
Een onherkenbare aarde
Als je meer dan drie miljard jaar geleden over onze planeet zou vliegen vlak voor de inslag van de S2, zou deze er heel anders hebben uitgezien dan nu. “De aarde was grotendeels een waterwereld”, met slechts een paar vulkanen en grotere eilanden die boven het oceaanoppervlak uitstaken, zegt Andrew Knoll, een geobioloog aan Harvard, die samen met Drabon aan het nieuwe onderzoek werkte. De oceanen van de wereld bevatten mogelijk twee keer zoveel water als nu, omdat het binnenste van de planeet nog niet genoeg was afgekoeld om zoveel vocht op te nemen als nu het geval is. Zonder grote continenten die erodeerden en mineralen naar de rivieren stuurden, had de oceaan een tekort aan essentiële voedingsstoffen zoals fosfor, koper, molybdeen en nikkel. De atmosfeer en de oceaan bevatten bijna geen vrije zuurstof - het element dat nu meer dan 20 procent van de lucht van onze planeet uitmaakt en de dieren, planten en schimmels in stand houdt. De aarde herbergde waarschijnlijk slechts 1 of 2 procent van de hoeveelheid leven die er nu is, zegt Knoll - allemaal in de vorm van eencellige microben.
Een deel van dat schaarse biotoop werd aangedreven door een primitieve vorm van fotosynthese waarbij microben zonlicht gebruikten om elektronen te onttrekken aan ijzer dat was opgelost in zeewater, waardoor ze kooldioxide konden omzetten in suikers. Maar de bovenste lagen van de oceanen, waar licht beschikbaar was, bevatten slechts sporen van ijzer, waardoor het zelfs voor deze geharde beestjes een uitdaging was om in hun levensonderhoud te voorzien. Die oceanen waren “biologische woestijnen”, zegt Drabon, en daarom hebben deskundigen zo vaak gedacht dat de vroege Aarde een stille, saaie plek was.
Geologische ontdekkingen veranderden die kijk eind jaren 1980 en in de jaren 1990 drastisch. In de Archeïsche lagen van Zuid-Afrika vonden de geologen Donald Lowe en Gary Byerly, nu respectievelijk verbonden aan de Stanford University en de Louisiana State University, minerale bolletjes ter grootte van zandkorrels die in minstens acht lagen gesteente opeengepakt zaten. Deze kleine “bolletjes” bleken gestolde druppeltjes gesmolten gesteente te zijn die naar beneden regenden na een spervuur van enorme inslagen. De kraters van die inslagen zouden allang zijn weggesleten, maar de dikke lagen sferen toonden aan dat ze toch hadden plaatsgevonden en wel met een verbazingwekkende frequentie. Op basis van hun studie van de lagen schatten Lowe en Byerly dat tussen 3,5 miljard en 3,2 miljard jaar geleden een object dat groter was dan de dino killer minstens eens in de 15 miljoen jaar op aarde insloeg - veel vaker dan tegenwoordig. Sommige van deze asteroïden zouden wel 350 keer zo zwaar kunnen zijn geweest als de dino killer.
Illustratie: James Zaccaria
Van kookpot tot paradijs
Drabon, een voormalig promovendus van Lowe, vroeg zich af hoe deze letterlijk aardschokkende botsingen de Archeïsche biosfeer beïnvloedden. Ze spendeerde jaren aan het verzamelen van gesteenten van een paar meter direct boven en onder de inslaglaag van een van die beroemde gebeurtenissen: de eerder genoemde S2. Beide soorten gesteenten waren van het soort dat was gevormd uit sedimenten die waren afgezet op ondiepe kustzeebodems in de buurt van enkele van de zeldzame stukken land. De rotsen onder de inslaglaag, van voor de ramp, waren gevuld met fijne zwarte lagen oude organische koolstof - de overblijfselen van kleverige matten van microben die op de zeebodem floreerden voordat ze werden begraven, geplet en gekookt door alledaagse geologische processen. Deze kalme, vlakke lagen hebben zich waarschijnlijk in de loop van duizenden jaren opgehoopt. Wat er direct boven lag, gebeurde veel sneller.
De laag met bolletjes, op sommige plekken zo hoog als een aantal op elkaar gestapelde matrassen, was door elkaar geschud met zand en kiezels, wat duidt op een reeks tsunami's die de zeebodem in de uren na de inslag door elkaar harkten en mengden. Dikke lagen versteende modder bedekten dit puin van de inslag, vermoedelijk gevormd in de loop van dagen of weken toen fijnkorrelig slib dat door de golven was opgeworpen zich op de zeebodem vastzette. Bovenop die modder lag iets dat Drabon fascineerde: kleine zeshoekige zoutkristallen die waren afgezet door de plotselinge verdamping van zilt zeewater. De kristallen waren een duidelijk teken dat de inslag “het oppervlak echt had verhit en een deel van het [oceaan]water begon af te koken”, aldus Drabon. Zij, Knoll en haar andere coauteurs (waaronder Lowe) beweren dat ergens tussen enkele meters en enkele tientallen meters water in een flits werd verhit tot stoom. Als dat inderdaad is gebeurd, zou dat “een heleboel bacteriën” hebben gedood, zegt Knoll. En de brokstukken die in de atmosfeer werden gegooid zouden de zon maanden of jaren hebben geblokkeerd, waardoor het leven voor overlevende fotosynthetische microben veel moeilijker zou zijn geworden.
Maar het zou snel rustiger zijn geworden. Enkele meters boven de inslaglaag zijn de rotsen weer gevuld met zwarte, koolstofrijke microbiële lagen, misschien nog wel dichter opeengepakt dan de lagen eronder - wat laat zien dat “het leven waarschijnlijk is opgebloeid na de inslag”, aldus Drabon. Zij en haar team stellen dat deze bloei door verschillende factoren werd veroorzaakt. De gesteentelagen boven de inslag bevatten veel fosfor - een belangrijke voedingsstof die in de biologie wordt gebruikt om van alles te maken, van DNA tot celmembranen. Ze schatten dat de S2-asteroïde 360 miljard ton buitenaards fosfor in de uitgehongerde oceanen op aarde kan hebben gebracht. Nog meer van het element zou in de zeeën zijn gestroomd via enorme hoeveelheden gesteente en slib die van door tsunami's verwoeste eilanden zijn geërodeerd.
De microbiële lagen boven de inslag zitten ook vol met een roestrood ijzermineraal genaamd sideriet, vermoedelijk gevormd uit ijzerrijk water dat door turbulente tsunami's uit de diepte omhoog werd geslingerd. Deze instroom zou de ijzerafhankelijke fotosynthetische bacteriën, die al overspoeld werden door fosfor afkomstig van de inslag, nog meer hebben gestimuleerd, waardoor de bloei nog verder toenam. Drabon onderzocht ook de verhouding tussen zware en lichte koolstofisotopen, of koolstofatomen met verschillende atoommassa's, in de donkere microbiële lagen boven en onder de inslag. Dit kan aanwijzingen geven over de soorten organismen die aanwezig waren, omdat verschillende soorten leven de zware en lichte koolstofisotopen in verschillende mate absorberen. Het onthulde iets belangrijks. “We zien een verschuiving in de koolstofisotopen,” zegt Drabon, wat erop wijst dat de mix van microben na de inslag veranderde. “We hebben een nieuw dominant metabolisme” in de oceaan, zegt ze, en dat weerspiegelt waarschijnlijk een toename van microben die ijzer gebruiken om energie op te wekken, via fotosynthese of andere routes.
Microbe vs. Mammoet
Dit nieuwe bewijs dat leven opbloeide na de inslag van de S2 “is echt een interessante vondst,” zegt Alexandra Davatzes, een geoloog aan de Temple University die onderzoek doet naar inslagen in het Archeoceen. Ze wijst erop dat andere grote verstoringen in het milieu van de aarde de biosfeer ook hebben aangezwengeld, zoals de “Sneeuwbalaarde”-gebeurtenissen van 700 miljoen en 635 miljoen jaar geleden. Tijdens deze gebeurtenissen verspreidden gletsjers zich over een groot deel van het aardoppervlak en roeiden waarschijnlijk veel leven uit. Maar toen het ijs zich uiteindelijk terugtrok, dumpte het enorme hoeveelheden voedselrijk, door gletsjers verpulverd gesteente in de oceaan om een biologische opleving te voeden. Eva Stüeken, een geobioloog die de Archeïsche aarde bestudeert aan de Universiteit van St. Andrews in Schotland, gelooft dat het onderzoek van Drabon tot meer ontdekkingen kan leiden.
Andrews, Schotland. “Er zijn zeker veel [inslag]gebeurtenissen die we gemist hebben,” zegt ze. Er zijn immers geen aardse inslagkraters uit die tijd bekend die tot op de dag van vandaag zijn blijven bestaan. En de sferulelagen die door deze botsingen over onze planeet werden uitgestrooid, zijn verre van gegarandeerd bewaard gebleven in zulke oude gesteenten. Maar als er bewijs wordt gevonden voor meer tot nu toe onbekende inslagen, kan dat onze waardering vergroten voor de manier waarop deze gebeurtenissen niet alleen de biosfeer van de aarde zwaar hebben beschadigd, maar ook hebben geholpen om die wonden te helen.
En Stüeken vraagt zich af of de S2 en andere gigantische inslagen het leven ook op een andere manier hebben bevrucht, een manier die verder gaat dan wat Drabon heeft gesuggereerd. De vurige inslagen van inkomende asteroïden zouden een extra belangrijke voedingsstof, stikstof, uit de atmosfeer kunnen hebben gehaald en in chemisch reactieve vormen in de oceaan kunnen hebben gebracht die microben konden absorberen. “Dat is iets wat ik graag zou willen onderzoeken,” zegt ze.
Simone Marchi, een planeetwetenschapper aan het Southwest Research Institute in Boulder, Colo, ziet een belangrijke les in de inslag van de S2. Er is een “interessante wisselwerking”, zegt hij, tussen een inslag van een asteroïde en het soort leven dat aanwezig is op het moment van de inslag. Microben kunnen, in tegenstelling tot brontosaurussen of mammoeten, extreme hitte, uitdroging en straling overleven door cysten of sporen te vormen die jaren blijven bestaan. En micro-organismen hebben gezamenlijk op talloze andere manieren een superieure weerstand tegen verstoringen van het milieu. Als één van de miljard microben overleeft, kan deze de hele populatie aanvullen omdat hij zo snel groeit en zich deelt. “Het leven van dat moment was in staat om de klap op te vangen” van de inslag van de S2, zegt Marchi. Maar wat als deze veel grotere asteroïde de aarde 66 miljoen jaar geleden had getroffen, nadat bloemen, bomen, dinosaurussen, zoogdieren, vissen en ander complex leven waren geëvolueerd?
“Voor dit soort gebeurtenissen had alleen eenvoudig leven het kunnen overleven,” zegt hij. In plaats van de dinosauriërs uit te roeien en zoogdieren, vogels en vissen intact te laten, zou de inslag alle planten en dieren kunnen hebben weggevaagd. “Het zou een complete reset van het leven zijn,” zegt Marchi, ”terug naar het bacteriële niveau.”
Tekst: Scientific American
