Oksygen steg opp av havet: livets drivstoff

De vet hvordan vannet kom til jorden.

Og de har ganske god peiling på hvorfor jordskorpen beveger seg og skaper høye fjell og dype avgrunner.

Men hvordan oksygenet slapp ut i atmosfæren og for alvor sparket i gang livet, har i flere tiår vært et mysterium for forskerne. For hvorfor skulle det gå 1,2 milliarder år fra de første fotosyntetiske bakteriene begynte å produsere oksygen i havet, til den potente gassen kunne pustes inn fritt i luften?

Og da oksygenet endelig var sluppet løs: Hvorfor drepte det nesten alle arter og kastet jorden ut i en 300 millioner år lang klimakrise?

Nå har forskerne endelig løst oksygenets gåte og funnet svaret dypt under jordens overflate.

Jern og dype gasser spiste oksygenet

Oksygen er et av universets mest utbredte grunnstoffer. Det har atomnummer 8 – så oksygenatomet har 8 protoner i kjernen og 8 elektroner i bane rundt den.

Når to oksygenatomer går sammen, danner de oksygenmolekylet O₂ – vanlig oksygengass.

For 3,6 milliarder år siden var luften på jorden giftig. Oksygen var riktignok til stede, men det var bundet til karbon i gassen CO₂ , som sammen med metan, hydrogen, nitrogen og argon utgjorde atmosfæren.

Under disse barske betingelsene oppsto livet i havet, der blant annet bakterier som kalles blågrønnalger, utviklet seg. Bakteriene dannet store kolonier som kalles stromatolitter, og satte med den nye oppfinnelsen fotosyntese fart på oksygenproduksjonen i havene.

Men så snart blågrønnalgene fikk produsert oksygenet, ble det fjernet fra vannet igjen. Nærmest i samme sekund som oksygenet ble frigitt, gikk det i forbindelse med oppløst jern fra undersjøiske kilder og ble felt ut som jernoksider som la seg på havbunnen.

Men grådig jern i havet er bare en liten del av forklaringen på hvorfor det gikk 1,2 milliarder år fra de første blågrønnalgene begynte fotosyntesen, til oksygenet fant veien til jordens atmosfære.

I 2019 påviste kjemikeren Chadlin M. Ostrander ved The University of Arizona at selv om oksygen først fant veien til atmosfæren for 2,4 milliarder år siden, inneholdt de grunne delene av havet på jorden allerede for 2,5 milliarder år siden fritt oksygen – kanskje til og med enda tidligere.

Fritt oksygen i havet burde føre til oksygen av atmosfæren, for når en gass oppløses i en væske, skjer det proporsjonalt med gassens trykk over overflaten og omvendt. Fritt oksygen i vannet ville med andre ord bety fritt oksygen i luften – med mindre gassen ble brukt opp av kjemiske reaksjoner så snart den ble frigitt til atmosfæren.

Selv om det frie oksygenet i de grunne delene av havet burde ha overført oksygen til luften, dukket de første sporene av oksygen i gassform opp først for 2,4 milliarder år siden – altså 100 millioner år senere. Forskerne undret seg over hvorfor det forholdt seg slik, og i 2020 fant de det banebrytende svaret.

Under ledelse av biokjemikeren Shintaro Kadoya ved University of Washington beviste en forskergruppe at det på dette tidspunktet i jordens historie skjedde en avgjørende endring dypt nede i bakken.

Jordkloden er delt i lag: Øverst ligger jordskorpen, og under den et lag som kalles mantelen. Ifølge forskerne ble mantelen oksidert for 2,4 milliarder år siden – den kom med andre ord til å inneholde flere forbindelser mettet med oksygen, noe som førte til en endring i gassen fra vulkanene.

Hittil hadde de vulkanske gassene bestått av oksygensultne stoffer som hydrogen og kullos, som raskt reagerte med de få frie oksygenatomene i luften, men nå utåndet vulkanene i stedet mer vann, H₂ O, og karbondioksid, CO₂ , som allerede var mettede med oksygen.

Stadig færre av de oksygenmolekylene som blågrønnalgene sendte opp i atmosfæren, ble forbrukt øyeblikkelig, og derfor steg luftens konsentrasjon av fritt oksygen sakte, men sikkert.

Selv om oksygenet på lang sikt ble en gigantisk bonus for livet på jorden, var det i første omgang en katastrofe – også for blågrønnalgene som produserer den.

Oksygenoverflod førte til massedød

Oksygenet var nemlig ren gift for mange av de organismene som hadde levd på en oksygenfri jord. Gassen sto bak den første masseutryddelsen på kloden: Opp mot 99 prosent av alt liv forsvant.

Katastrofen hadde imidlertid bare så vidt begynt, for oksygenet endret også sammensetningen av luften og brøt ned noen av de gassene som hadde utgjort hoveddelen av den tidlige atmosfæren.

Hittil hadde drivhusgassen metan lagt et lokk over kloden og holdt den varm, men nå reagerte metanet med oksygen. Til sammen ble de to stoffene til karbondioksid og vann, og selv om karbondioksid også er en drivhusgass, er den mye mindre effektiv enn metan.

Resultat var at jorden ble rammet av en total temperaturkollaps som varte i nesten 300 millioner år. Isen strakte seg flere ganger fra polområdene helt til ekvator og skapte en såkalt snøballjord.

De overlevende artene ble fortrengt til oksygenfattige miljøer, for eksempel dypt under havbunnen, mens nye organismer raskt utviklet seg under de oksygenrike forholdene.

Oksygen er nemlig et ekstremt effektivt verktøy i en organismes forbrenning, det biologene kaller metabolisme, og inngår som drivstoff i energiproduksjonen i mitokondriene. Her produseres stoffet adenosintrifosfat, ATP, ut fra sukkerstoffet glukose under opptak av oksygen, en såkalt oksidering.

Nedbrytningen av glukose med oksygen til stede er 13 ganger mer effektiv for organismen enn metabolismen i for eksempel bakterier som lever uten oksygen. Forskjellen ga noen organismer en enorm fordel.

Oksygenkonsentrasjonen holdt seg imidlertid lav – mellom 1/10 og 1/100 av dagens nivå – fram til for vel 850 millioner år siden, og derfor var organismene små. Hvorfor det forholdt seg slik, ble forklart i en vitenskapelig artikkel fra mai 2021.

Oksygenfattig luft gir små dyr

I studien eksperimenterte forskere ved Georgia Institute of Technology, under ledelse av biologen Ozan Bozdag, med en bestemt type genmodifisert gjær som oppfører seg som en veldig enkel, flercellet organisme ved å danne store mor-datter-kolonier.

Arten foretrekker å leve under oksygenrike forhold, men kan klare seg uten oksygen. Forskerne holdt gjæren under ulike konsentrasjoner av oksygen og lot dem formere seg gjennom 800 generasjoner.

Når gjæren levde uten oksygen og måtte drive metabolismen på andre måter, fordoblet individene størrelsen på de 800 generasjonene. Det samme skjedde for de gjærcellene som levde med høye konsentrasjoner av oksygen.

Men når gjæren ble utsatt for lave konsentrasjoner av oksygen, som svarer til nivået på jorden fram til for om lag 850 millioner år siden, var gjærkoloniene små.

Forskernes konklusjon er at oksygen faktisk begrenser størrelsen på levende organismer når stoffet bare er til stede i små mengder, for i enkle organismer må oksygenet trenge inn i cellene fra omgivelsene.

Derfor oppsto det avanserte, flercellede livet – og dermed dyrene på jorden – første gang med den såkalte Ediacara-faunaen for om lag 600 millioner år siden.

Livet har blitt avhengig av oksygen

I dag har dyrelivet spredt seg til hele kloden, og evolusjonen har eksperimentert med mange respirasjonssystemer som bringer oksygenet både inn i kroppen og rundt i organismen.

For den grunnleggende utfordringen eksisterer fortsatt – oksygenet må fraktes til hver enkelt celle i individet, ellers dør cellen og til sjuende og sist organismen.

Fram til for noen få år siden mente forskerne at alt høyere dyreliv var avhengig av oksygen.

Men i 2010 fant en forskergruppe ledet av Roberto Danovaro ved det polytekniske universitetet i italienske Ancona tre arter av de mikroskopiske korsettdyrene i Middelhavet som – tilsynelatende – lever hele livet i et totalt oksygenfritt miljø.

Forskerne tror korsettdyrenes celler får energi via mitokondrielignende mekanismer som kalles hydrogenosomer, som kan drive cellene uten oksygen. Hydrogenosomer har hittil bare vært kjent fra veldig enkle organismer, som sopp, og ikke fra dyreriket.

I 2020 dukket det opp enda et dyr som lever livet uten å forbrenne oksygen. Den israelske zoologen Dayana Yahalomi og forskergruppen hennes oppdaget arten Henneguya salminicola – et polyppdyr i familie med maneter som lever som parasitt på laks.

Henneguya salminicola er det første dyret forskerne kjenner til som mangler den biten DNA som koder for cellenes kraftverk, mitokondriene. Og uten mitokondrier er det ingen grunn til å ta opp oksygen.

Forskerne har fortsatt full oversikt over hvordan de skaffer seg energi.

Men selv om korsettdyr og lakseparasitter kan klare seg uten oksygen, så kan ikke mennesket det.

Og selv om den livgivende kjemiske forbindelsen i dag er fritt tilgjengelig i jordens atmosfære, er den en mangelvare nesten alle andre steder i universet.

Astronauter skal puste Mars-oksygen

Derfor må astronautene ta med seg eller produsere oksygen når de for eksempel skal til Den internasjonale romstasjonen eller enda fjernere reisemål.

Lengst framme med teknologien til å produsere oksygen på fremmede planeter er Nasa, som har utstyrt sin nyeste Mars-rover, Perseverance, med et anlegg for å gjøre om CO₂ -et som utgjør mesteparten av Mars-atmosfæren, til oksygen.

Forsøket Moxie kan produsere vel ti gram rent oksygen per time. Det svarer til om lag en tredjedel av behovet til et voksent menneske. Teknologien bak Moxie må med andre ord skaleres opp før den kan brukes i praksis.

I tillegg til å holde besetningen i live skal Moxie – eller en tilsvarende mekanisme – produsere det oksygenet som trengs for å sende romskipet tilbake til jorden. Beregninger fra Nasa viser at det krever om lag 25 tonn oksygen å forbrenne de 7 tonnene rakettdrivstoff som en hjemtur for fire astronauter krever.

Å finne oksygen på Mars er ikke noe problem. Stoffet er det tredje vanligste i universet etter hydrogen og helium og finnes overalt i utallige kjemiske forbindelser.

Utfordringen blir å bryte de kjemiske båndene mellom atomene – for eksempel i CO₂ – og det krever energi.

Så i tillegg til Moxie eller et lignende apparat i stor skala må astronautene også ta med utstyret til å produsere energi, for eksempel solceller eller atomreaktorer.

Derfor kan Moxie lett ende med å bli forbipassert av en helt annen teknologi.

I 2020 viste tre forskere ved Washington University under ledelse av kjemikeren Pralay Gayen nemlig hvordan det ekstremt konsentrerte saltvannet som er funnet på Mars, kan spaltes til oksygen og hydrogen ved hjelp av elektrolyse.

Prosessen forbruker bare 1/25 del av den energien Moxie krever for å produsere en tilsvarende mengde oksygen – en fordel som er avgjørende på en romferd der hvert eneste kilo last koster enorme ressurser å sende av sted.

Atmosfæren går i barndommen

Før eller senere vil det bli nødvendig å skape oksygen på jorden i samme omfang som fotosyntesen gjør i dag. Jordens produksjon går nemlig i stå når solen om en milliard år gjør planeten for varm til planteliv. Det spår astrobiologen Kazumi Ozaki ved Toho-universitetet og kollegaen hans Christopher T. Reinhard i en studie fra mars 2021.

De to forskerne har kjørt klimamodeller for jorden, ikke bare til år 2100 eller år 2500, men millioner av år inn i framtiden.

I alle modellene bryter jordens atmosfære sammen og etterlater seg bare om lag 1 prosent av den nåværende mengden oksygen, men til gjengjeld massevis av karbondioksid og metan – akkurat som på den unge jorden, før oksygenet i første omgang steg opp i atmosfæren.

Dermed vil jorden ende opp der den begynte.