Kiedy lód skuł cały świat. Mrożąca opowieść o pochodzeniu organizmów wielokomórkowych

Lód odbija promieniowanie słoneczne i w ten sposób obniża temperatury. A im są one niższe, tym więcej go powstaje, odsyłając w kosmos jeszcze więcej ciepła słonecznego. Po przekroczeniu punktu krytycznego zachodzi niekontrolowane wychładzanie (ang. icehouse runaway) – galopujący spadek temperatury doprowadza do inwazji lodu na skalę globalną. Taka zmrożona planeta musi czekać na jakąś równie potężną interwencję. W tym przypadku nastąpiła po ok. 85 mln lat – to okres dłuższy niż cała nasza era kenozoiczna, która zaczęła się od zagłady dinozaurów.

Zanim jednak ciepło powróciło, lód prawdopodobnie opanował cały glob. Taką hipotezę przedstawiła parę tygodni temu grupa badaczy, którą kierowali geolodzy Rebecca Flowers i Francis Macdonald. Oboje zajmują się rekonstruowaniem środowiska naturalnego Ziemi w odległych epokach i erach. Posługując się technikami geochemicznymi, odsłaniają sekrety przeszłości ukryte w okruchach skał, kryształkach minerałów i budujących je pierwiastkach.

Tym razem ich celem była góra Pikes Peak (4300 m n.p.m.) w Górach Skalistych, kilkanaście kilometrów na zachód od Colorado Springs, które swoje istnienie zawdzięcza gorączce złota z połowy XIX w., podobnie jak niedalekie Denver. Ponad 100 tys. ludzi przybyło wówczas ze wschodu, aby poszukiwać cennego kruszcu w cieniu szczytów zbudowanych z prastarych skał granitowych liczących około miliarda lat.

To właśnie one zainteresowały Flowers i Macdonalda. Naukowcy wiedzieli, że mniej więcej miliard lat temu, na początku ery zwanej neoproterozoikiem, układ lądów i oceanów był dość nietypowy, bo… najprostszy z możliwych. Tworzył go bowiem jeden superkontynent oblewany przez jeden ocean. Ów olbrzymi ląd nazwany Rodinią został ulepiony z jeszcze starszych kawałków skorupy ziemskiej, które stopniowo przywierały do siebie. Jednym z nich była Laurencja, stanowiąca dziś skalny rdzeń Ameryki Północnej. Uważa się, że to rozpad Rodinii doprowadził do globalnej inwazji zimna. Naukowcy doszli do wniosku, że skały z Pikes Peak mogą im wskazać, dokąd dotarł lód.

Potrójna zagadka skał

Zanim siły tektoniczne rozłupią superkontynent i podzielą go na mniejsze lądy, upływają setki milionów lat. Obecny wygląd Ziemi zaczął się kształtować ok. 200 mln lat temu, gdy ruszył trwający do dziś rozpad ostatniego superkontynentu, nazwanego Pangeą. Z Rodinią rzecz się miała podobnie, tyle że był to ląd mało gościnny i pozbawiony życia. Żadnych roślin, żadnych zwierząt. Tylko goła ziemia, niszczona przez wiatry i wodę znoszącą do oceanu gigantyczne ilości piasków i iłów. Ów wielki ląd ulokował się w okolicach równika, a bieguny zajął ocean, który łatwo się wychładzał bez tropikalnego ciepła. I oto nagle doszło do załamania. Bezpieczniki termiczne nie wytrzymały i w ciągu paru milionów lat glob został zlodzony. Ale czy cały?

To właśnie zamierzali ustalić naukowcy. Pikes Peak jest zbudowany z wiekowych granitów, ale w niektórych miejscach w ich stropowej warstwie pojawiają się wtrącania osobliwych piaskowców o nieustalonej genezie. Flowers i Macdonald chcieli określić wiek tajemniczych skał, dowiedzieć się, jak powstały, i poznać ich położenie geograficzne w chwili narodzin. Pobrali próbki, wyłuskali z nich kryształki hematytu (pospolitego minerału tlenku węgla), zbombardowali je laserem, uwalniając z nich uran. Ten, jak wiemy, przeobraża się w ołów w wyniku rozpadu promieniotwórczego, więc znając tempo tego rozpadu oraz proporcję obu pierwiastków w próbce, można określić jej wiek. W ten sposób ustalono, że piaskowiec liczy 690–660 mln lat, a zatem powstał w szczytowej fazie kryzysu klimatycznego. Jedna trzecia zagadki została rozwiązana.

Pozostało ustalenie genezy piaskowców oraz ich pierwotnej lokalizacji na globie. Osobliwy wygląd tych skał intryguje geologów od dawna. Warstwy miękkich osadów zostały wyraźnie wciśnięte w niżej leżące granity, tworząc w nich podobne do żył i kieszeni iniekcje o głębokości od kilkunastu centymetrów do wielu metrów. Ponieważ podobne struktury obserwuje się dziś na Antarktydzie i Grenlandii w miejscach odsłanianych przez cofające się strumienie lodowe, Flowers i Macdonald po ustaleniu wieku piaskowców łatwo odgadli ich genezę. „Tą potężną siłą, która wgniotła je w podłoże, był lądolód. Płynące pod nim wody roztopowe mieszały się z piaszczystymi osadami, tworząc plastyczną masę wtłaczaną następnie w twardsze podłoże granitowe” – napisali w listopadzie w „PNAS”.

Brakowało im tylko odpowiedzi na pytanie „gdzie”. Do tego celu posłużyły im badania, w których wykorzystuje się zjawisko paleomagnetyzmu – trwałego namagnesowania niektórych skał przez ziemskie pole magnetyczne. Dzięki niemu można odtwarzać zarysy i lokalizację nieistniejących od dawna lądów, np. tych, które powstały z rozpadu Rodinii, w tym Laurencji. W tym przypadku Flowers i Macdonald potwierdzili to, co było znane już z wcześniejszych pomiarów: ta część Laurencji, do której przynależy Pikes Peak, znajdowała się podczas klimatycznego dołka bardzo blisko równika. „Skoro skorupa lodowa przykryła nawet wnętrze rozległego lądu położonego w strefie tropikalnej, to znaczy, że mogła uformować się wszędzie” – konkludowali badacze.

Przemożny wpływ sinic

Pomysł, że niemal cała Ziemia była niegdyś pokryta lodem, przyszedł geologom do głowy już w latach 60. XX w. Były to jednak głównie teoretyczne rozważania. Na przedstawienie kompletnej hipotezy nikt się nie zdecydował. Przełom nastąpił trzy dekady później, gdy Joseph Kirschvink, geochemik z California Institute of Technology, odkrył w Australii grube warstwy skał polodowcowych. Były bardzo stare – miały ponad 600 mln lat, a analiza paleomagnetyczna wskazywała, że powstały w pobliżu jednego ze zwrotników, czyli 2–3 tys. km od równika. Kirschvink uznał, że znalazł dowody na potężne zlodowacenie Ziemi. W 1992 r. ogłosił koncepcję „Ziemi śnieżki”, w którą – jak twierdził – nasza planeta zamieniła się co najmniej dwa razy przed 700–600 mln lat.

Początkowo uczony miał garstkę sprzymierzeńców i armię wrogów. Zarzucano mu, że nie potrafi wyjaśnić, w jaki sposób skuta lodem Ziemia mogłaby się go pozbyć. Zwracano uwagę, że podczas takiej globalnej zimy życie wymarłoby całkowicie, a przecież ma się ono całkiem nieźle. Krytyka nieco złagodniała w końcówce lat 90. XX w., gdy nowe wyniki badań przedstawili dwaj geolodzy z Uniwersytetu Harvarda – Paul Hoffman i Dan Schrag. Pierwszy z nich argumentował, że inwazję mrozów umożliwiły sinice, które podczas rozpadu Rodinii mnożyły się tak intensywnie, że zużyły mnóstwo dwutlenku węgla do fotosyntezy i omal nie zamroziły globu. Przeciwników szybko ubyło, gdy w 2010 r. tenże Schrag i jego młodszy kolega z Harvardu, znany nam już Francis Macdonald, z podziwu godną precyzją wyznaczyli moment, gdy megalodowiec po raz pierwszy zbliżył się do tropików. W kanadyjskim Jukonie znaleźli skamieniałe moreny polodowcowe sprzed 717 mln lat. Z pomiarów paleomagnetycznych wynikało, że powstały na skraju kontynentu w odległości ok. 2 tys. km od równika. Naukowcy uznali wówczas, że wolna od lodu pozostała jedynie najcieplejsza, okołorównikowa strefa o szerokości paru tysięcy kilometrów.

Po tym doniesieniu ruszyły intensywne badania. Wykazały, że kriogen – okres klimatycznego kryzysu – zaczął się 720–718 mln lat temu i trwał przez ok. 85 mln lat. W tym czasie temperatury na globie dwukrotnie sięgnęły dna. Najpierw przyszło zlodowacenie Sturtian trwające 55–60 mln lat, po nim nastąpiła pauza, po której przyszło krótsze zlodowacenie Marinoan zakończone 635 mln lat temu. Wydaje się, że to drugie było łagodniejsze od pierwszego, choć i tak o wiele intensywniejsze w porównaniu z chłodami, jakich doświadczył Homo sapiens, mimo że my również jesteśmy dziećmi epoki lodowcowej – plejstocenu.

Ostatnie słowo wulkanów

Dlaczego w ogóle zaczęła się ta inwazja chłodów? Generalnie bezpośredni powód jest zawsze taki sam. Długotrwałe i głębokie spadki temperatur na Ziemi są konsekwencją zniknięcia z atmosfery znacznej ilości dwutlenku węgla – gazu cieplarnianego, bez którego nasz glob byłby zmrożony cały czas. Dlaczego jednak poziom CO₂ spadł tak znacznie w kriogenie? Jedną hipotezę już znamy – sinice. Według innej teorii rozpad Rodinii uruchomił gigantyczną erozję i wietrzenie chemiczne. Intensywne deszcze usuwały z tropikalnych lądów, na które podzielił się superkontynent, olbrzymie ilości skał. Grubość zdartej warstwy ocenia się na kilka kilometrów.

Niszczenie trwało setki milionów lat. Równocześnie spadały temperatury, bo rozpuszczony w deszczówce dwutlenek węgla wchodził w reakcje ze skałami budującymi lądy, a następnie jako węglan wapnia spływał do morza. Coraz większe ilości CO₂ znikały z atmosfery. Pierwsze zjazdy temperatury pojawiły się ok. 50 mln lat przed nastaniem kriogenu. Parę lat temu Yannick Donnadieu, posługując się modelami komputerowymi, wykazał, że średnia temperatura globalna mogła wtedy wynosić ok. 10 st. C. To o kilka stopni mniej niż w naszych czasach, które z geologicznej perspektywy są okresem bardzo chłodnym. Słowem grunt pod pojawienie się Ziemi śnieżki został wcześniej przygotowany.

Jednak ostatnie słowo – według jednej z nowszych hipotez, forsowanej m.in. przez Macdonalda – należało do olbrzymich erupcji wulkanicznych, które nastąpiły tuż przed rozkręceniem się spirali wychładzania. Zwykle takie erupcje kojarzą się ze wzrostem temperatur, ponieważ to wulkany są głównym naturalnym źródłem CO₂ podgrzewającego atmosferę. Od tej reguły są jednak wyjątki, gdy erupcje następują w tropikach w warunkach klimatu wilgotnego i powtarzają się przez bardzo długi czas, liczony nawet w setkach tysięcy lat. Młode skały wulkaniczne (bazalty) chętnie wiążą CO₂, wycofując go z atmosfery, a reakcjom chemicznym sprzyja obfitość opadów deszczu. Jeśli trwa to dostatecznie długo, kołdra gazów cieplarnianych może stać się niezwykle cienka.

Coś takiego – zdaniem Macdonalda – przydarzyło się Ziemi na kilka milionów lat przed początkiem kriogenu. Pozostałością po tamtych erupcjach jest rozległa pokrywa bazaltów w północnej Kanadzie i Grenlandii zwana Prowincją Magmatyczną Franklina. Jej wiek oszacowano na 720–725 mln lat. Choć w późniejszych epokach geologicznych została częściowo zniszczona, wciąż ma w niektórych miejscach grubość ponad kilometra, a tuż po powstaniu, jak wskazują badania, zajmowała obszar kilku milionów kilometrów kwadratowych. To ona właśnie wyłączyła klimatyczne bezpieczniki i przechyliła szalę na korzyść mrozu i lodu. Podbiegunowa lodówka została zmieniona w globalną zamrażarkę.

Walor zimnej wody

W jednej kwestii badacze są zgodni – rozpad Rodinii w połączeniu ze zlodzeniem globu miały kolosalne znaczenie dla ewolucji życia na Ziemi. Ci, którzy przetrwali post, wzięli udział w karnawale. Już dwie dekady temu Schrag z Hoffmanem opisali, jak ten karnawał mógł się rozpocząć. Powyżej skał polodowcowych znaleźli warstwy wapieni utworzonych w bardzo ciepłym klimacie. Zatem wychłodzony glob nagle stał się przegrzany. Obaj badacze, a przed nimi Kirschvink, uznali, że była to zasługa wulkanów nieustannie pompujących do atmosfery CO₂. Tym razem deszcze go nie usuwały, bo ich praktycznie nie było – na zmrożonej planecie obieg wody prawie ustał. W końcu gazu cieplarnianego zebrało się tyle, że zaczął podgrzewać planetę.

Wkrótce na Ziemi pojawiły się pierwsze zwierzęta. A może były już wcześniej? Czy to możliwe, żeby świt zwierząt przypadł na moment skrajnego zmrożenia Ziemi? Tak postuluje Christopher Kempes z Santa Fe Institute. W modelu komputerowym przebadał, jak rozmaite czynniki mogły zachęcić mikroorganizmy do łączenia się w wielokomórkowce. Wskazał dwa – gęstość wody i niedobór pokarmu. „Gdy zasoby żywności znacznie się skurczyły, łatwiej było je zdobyć, będąc większym. Gęstsza woda sprzyjała łączeniu się komórek. Gdy chłód minął, ci więksi już pozostali na globie” – napisał w artykule opublikowanym jesienią w „Proceedings of the Royal Society B”. Symulacje to oczywiście nie rzeczywistość, ale niektóre znaleziska paleontologiczne również sugerują, że jeśli nie w skrajnie zimnym Sturtianie, to w nieco łagodniejszym Marinoanie świat mógł być już zamieszkany przez zwierzęta.

Prawdziwa rewolucja w ewolucji zaczęła się jednak, gdy topnienie lądolodów ruszyło na dobre. Kilka lat temu geochemicy Timothy Lyons i Noah Planavsky pobrali z siedmiu miejsc na globie kilkaset próbek skał ze schyłkowego okresu Ziemi śnieżki. Szukali w nich fosforu – pierwiastka o kluczowym znaczeniu biologicznym. Intuicja ich nie zawiodła. We wszystkich miejscach koncentracja fosforu okazała się nadzwyczaj wysoka, w porównaniu z wcześniejszymi czasami. Skąd się wziął? Dostarczały go topniejące lodowce – stwierdzili badacze. W wyniku erozji podłoża, po którym sunęły, wzbogacały się w różne związki mineralne. A gdy lód znikał, wypływająca z niego woda transportowała cały ten ładunek substancji pokarmowych, w tym fosforu, do oceanu. „To był potężny impuls do rozwoju życia. Geologia do spółki z klimatem doprowadziły do szybkich przetasowań w ziemskiej biosferze” – pisali Lyons i Planavsky.

Cud silnego stresu

Tymczasem Macdonald dalej poszukuje geochemicznych śladów kriogenu. Ostatniego lata odnalazł w Omanie kolejne skały z czasów Ziemi śnieżki, tym razem pochodzące z dna ówczesnego oceanu. W listopadzie podczas seminarium na Uniwersytecie Stanforda zapowiedział, że wyniki badań zapowiadają się rewelacyjnie, ale szczegółów nie ujawnił –mają się znaleźć w artykule przygotowywanym do druku.

„To były naprawdę ekstremalnie trudne czasy. Wiele organizmów wtedy wymarło, torując drogę glonom i zwierzętom. Z ewolucyjnej perspektywy silny stres czasami nie jest taki zły dla życia” – stwierdził. Jakby na potwierdzenie jego słów w połowie grudnia w „Science” grupa badaczy z Chin i Stanów Zjednoczonych po rekonstrukcji zmian w różnorodności gatunkowej na globie w ciągu ostatnich 2,5 mld lat doszła do wniosku, że to właśnie „zlodowacenia kriogenu doprowadziły do decydującego zwrotu w historii eukariontów”. Eukarionty to organizmy, których komórki mają jądra komórkowe zawierające DNA. Należą do nich wszystkie zwierzęta, również my.