Hubbardglaciär, Alaska. Credit: robertraines/Flickr, CC BY 2.0

Den relativt lugna region i rymden som vi upptar i solsystemet i dag, motsäger ett eldigt, våldsamt förflutet och en kuslig framtid. Den här serien utforskar jordens geologiska och naturliga historia och börjar med bildandet av vårt solsystem, fortsätter med asteroidnedslag och massutdöenden och slutar med människans påverkan på miljön i dag. För att verkligen förstå omfattningen av de förändringar som vår planet har genomgått måste vi skynda oss genom enorma tidsskalor och stanna upp vid viktiga milstolpar.

Intill nu: Livet bildades ganska snabbt på jorden, knappt 500 miljoner år efter att vår 4,56 miljarder år gamla planet bildades. För cirka 2,4 miljarder år sedan (bya) dök syre för första gången upp i stor skala i atmosfären och haven, vilket omedelbart orsakade ett massutdöende och kastade jorden in i den huroniska istiden.

Under den huroniska istiden, som orsakades av mättnaden av den nya gasen syre i luften och vattnen, blev jorden successivt svalare, trots att solens ljusstyrka ökade i takt med att den åldrades. Syre i atmosfären avlägsnade metan, en växthusgas som höll jorden varm. Istiden följde på den stora syretillförseln, det första av de tjugofyra massutdöenden som vår planet har upplevt. Mängder av encelliga livsformer utplånades, och de överlevande frystes fast av den krypande kylan från alla håll.

Ett bevis på denna istid finns längs de namngivna sjöarna Huron och Lake Superior i Kanada. Denna del av Kanada är en kraton, en gammal, stabil del av jordskorpan som har bestått till denna dag. Denna kraton var en del av Kenorland, den superkontinent som existerade nära jordens ekvatoriella regioner. Faktum är att andra Kenorland-kratoner, såsom Michigan och västra Australien, också visar tecken på stora isavlagringar från denna period.

När vår planet sakta frös ned, med lager på lager av is som bildades på land och i havet, började superkontinenten Kenorland att brytas upp. Och i processen återupplivades den vulkaniska aktiviteten. Till skillnad från den andra superkontinenten kallad Vaalbara var Kenorland enormt stor. Medan Vaalbara delade sig i endast två kratoner, som nu finns i Afrika och Australien, var Kenorland enormt: den innehöll kratoner som nu finns i Kanada, USA, Skandinavien, Grönland och Kalahariöknen i södra Afrika. När så stora landmassor bryts isär som bitar av en kex orsakar de extrema förändringar i det globala klimatet.

För det första orsakar de sprickor och utbredningar på havsbotten. Detta gör att den övre delen av havsbotten värms upp. Skorpan flyter på manteln och förlorar ofta sina nedre delar till den viskösa smälta stenen. Eftersom varm sten är mycket mindre tät, stiger den upp i manteln och ökar kontinenternas höjd. En ökning av höjden innebär högre höjder, där luften är kallare. Dessutom orsakade uppvärmningen i haven en ökad avdunstning, vilket sedan ökade den globala nederbörden. Detta kylde ner planeten ytterligare. När planeten blev allt vitare ökade dess reflektionsförmåga. Allt solljus reflekterades bort, vilket ytterligare förhindrade att värme kunde hållas kvar.

Sådana händelser som fortsätter att ge näring åt den ökande kylan kallas positiva återkopplingsslingor.

Under den huroniska istiden täckte glaciärer och is delar av land och hav nästan ända upp till ekvatorn. Detta var den längsta istiden i historien och sträckte sig över nästan 300 miljoner år, från 2,4 bya till 2,1 bya. En framträdande orsak till att denna istid var långvarig tycks ha varit en avmattning i den vulkaniska aktiviteten, vilket ytterligare minskade koldioxiden och metanet i atmosfären, varav en del fastnade i isen och haven.

Istiderna tar slut på grund av en negativ återkopplingsslinga. Under en istid förekommer intensivt snöfall och vatten fångas in i form av enorma mängder is över land. Därmed sjunker havsnivåerna. Nederbörden minskar också eftersom det helt enkelt inte finns tillräckligt med vatten i atmosfären längre. Nederbörden upprätthåller kylan. Havsisen smälter snabbare än stora istäcken på land. Så när jorden inte längre kunde bli kallare och det inte längre fanns någon nederbörd för att upprätthålla kylan, började den bli varmare på grund av solen. Även en liten smältning av havsisen kan leda till att vattnet börjar absorbera solens värme, vilket utlöser ett kretslopp som frigör koldioxid och orsakar mer smältning, vilket mycket snabbt avslutar istiden. Detta är anledningen till att alla istider slutade mycket snabbare än de började.

Kort efter slutet av den huroniska istiden och Kenorlands sönderfall, i någon del av de globala oceanerna, attackerade en encellig organism, troligen en bakterie, en annan, troligen en arkeon, som svalde den och lät den överleva inuti den. Båda dessa organismer behövde den andra organismens avfallsprodukter för att överleva, och därför samarbetade de i vad som kallas endosymbios. Denna lilla cell blev det första komplexa encelliga livet med en kärna, membraner och arkeon som blev mitokondrier. Sådana livsformer är idag kända som eukaryoter, och just den här cellen är förfader till alla levande organismer idag. Detta skedde ungefär 2,1 bya, efter nästan hela 2,5 miljarder år av elementärt, primitivt, rent ut sagt enkelt encelligt liv .

Konstnärlig föreställning av Rodinia. Credit: Tomo Narashima

Under tiden flyttade de delar av Kenorland som hade brutits sönder runt i haven, kolliderade återigen med nyare kratoner och bildade en ny massiv superkontinent kallad Columbia. Columbia var ännu större än Kenorland och innehöll kratoner som idag tillhör Nordamerika, Skandinavien, Australien, Indien och Sydamerika. Indiens västkust var faktiskt knuten till Nordamerikas östkust, medan Kanadas västkust var knuten till södra Australien. Skandinavien var knutet till Brasilien, och alla landmassor var tätt ihopklumpade. Efter att den var helt sammansatt 1,8 bya började Columbia expandera i storlek på grund av att vulkaniska bergarter bildades vid dess gränser, där den utspillda magman började svalna och stelna.

Denna vulkaniska aktivitet utlöste mer vulkanism i inlandet, och började på ett naturligt sätt spräcka upp superkontinenten. Columbia började delas upp 1,4 bya, med kratoner som delade sig i delar av dagens Indien, Nordamerika, Kina, Afrika, Skandinavien och Australien. Dessa kratoner överlevde inte självständigt länge. De kolliderade mycket snabbt med varandra och med andra nyfödda kratoner och bildade nästa superkontinent, Rodinia, 1,3 bya.

Rodinia förblev nästan helt och hållet på södra halvklotet och är en mycket viktig del av jordens biologiska historia. På superkontinenten skedde evolutionen av eukaryoter till flercelliga organismer genom det första uppträdandet av sexuell reproduktion. Den såg bildandet av ozonskiktet i atmosfären; och dess upplösning orsakade ännu en istid, den mest skrämmande av dem alla.

När Rodinia började brytas sönder orsakade det plötsliga, gigantiska sprickor i havsbotten. Detta fick skorpan att värmas upp, vilket upprepade samma mekanism som orsakade regntoppar under den föregående istiden. Detta resulterade i mer avkylning, vilket ledde till en istid.

Men denna istid, den kryogeniska istiden, var annorlunda än den huroniska. Faktum är att en sådan istid aldrig har setts igen i jordens historia. Isar och glaciärer sträckte sig hela vägen från polerna till mitten av ekvatorn och täckte varje centimeter av planeten, vilket fick den att se ut som en gigantisk snöboll. Fenomenet är passande nog känt som ”snöbollsjorden”. Den kryogeniska istiden orsakades på grund av två snabba glaciationshändelser under istiden, åtskilda av en mycket liten, varm interglaciationsperiod. Denna mest extrema istid på vår planet varade från 720 mya till 635 mya.

Tilltningen av denna is – när Rodinia separerades – såg mer evolution av livet. Fragmentering av landmassor gjorde att vulkanismen ökade i haven, vilket i sin tur orsakade ett inflöde av näringsämnen i vattnet. Under de sista miljonerna år av den prekambriska supereon framträdde det första ”djuret”: svampen. Spridningen av havsbotten ledde också till att många grunda hav bildades, där livet äntligen gjorde resan från vatten till land. Detta sammanföll med Rodiniens slutgiltiga kollaps och markerade övergången på den geologiska tidsskalan från den prekambriska supereon till den fanerozoiska eon.

Från och med den här tiden blir de geologiska uppgifterna om vår planet mer detaljerade tack vare överflödet av fossiler. Den fanerozoiska eon, som börjar vid 542 mya, kan bokstavligen översättas till ”perioden med väldefinierat liv”. Medan den prekambriska supereon omfattade tre stora eoner och varade i över fyra miljarder år, hände mycket mycket mer på jorden under den fanerozoiska eon. Det fanns mer mångfald, mer storskaliga förändringar av vår planets ytstrukturer och atmosfär och hela tjugo fler massutdöenden.

Credit: Satwik Gade

När det gäller liv skedde den största förändringen på jorden i början av Phanerozoikum, under den kambriska perioden. Inom 25 miljoner år hade allt liv på jorden diversifierats ofattbart plötsligt. Från grundläggande komplext encelligt liv framträdde förfäderna till många av dagens djur. Foram, svampar, alger, organismer som bygger rev – alla började dyka upp i fossilregistret. De mest förekommande fossilerna av insekter som kröp omkring på havsbottnen är de kvaddade fossilerna. En sådan massdiversifiering av komplexa organismer på så kort tid och utan så mycket som en föregångare noterades av Charles Darwin som ett giltigt argument mot teorin om det naturliga urvalet (den starkes överlevnad). Denna spurt av diversifiering kallas den kambriska explosionen.

Under tiden kämpade livet på land för att överleva. Planktoner hade redan uppstått, men land koloniserades först av mikrobiella mattor av cyanobakterier. Anpassningen till land krävde förmågan att växa mot gravitationen. Livsformerna behövde också sluta vara beroende av ett medium som vatten för att transportera näringsämnen och ägg/spermier. Brist på näringsämnen i luften innebar att det var svårare att överleva. Det tog mycket lång tid för flercelliga växter på land att utvecklas, även om den mångsidiga faunan i haven förökade sig snabbt och frodades. De dominerande livsformerna under den kambriska perioden var trilobiterna, en grupp utdöda leddjur. De blomstrade i nästan 270 miljoner år, vilket gör dem till de mest framgångsrika av alla marina djur. De överlevde de två första av de dödliga massutdöendena och totalt åtta, innan de slutligen försvann från jorden.

Fossil av en trilobit som hittats i Marocko, Afrika. Credit: Mike Peel, 2010

När dessa marina insekter kröp omkring under vattnet var kratonerna ovanför återigen i rörelse. De kolliderade med varandra och höll på att bilda ännu en superkontinent kallad Pannotia. Men den här gången höll inte superkontinentens byggstenar riktigt ihop. Pannotia bröts sönder mindre än 60 miljoner år efter att den hade bildats och orsakade återigen hejdlösa katastrofer på det globala klimatet och livet. Det skedde fyra snabba på varandra följande massutdöenden inom 20 miljoner år under kambrium, vilket utplånade nästan 40 procent av allt marint liv och inledde en ny period.

Den ordoviciska perioden inleddes 485 mya och markerade uppkomsten av de första riktiga ryggradsdjuren: fiskar. Det fanns många skallevande varelser, blötdjur och leddjur som liknade dagens sniglar, spindlar och räkor i havet, fast mycket mindre i storlek. Det fanns sjöstjärnor, svampar, koraller och andra filtermatare som drev omkring i det långsamt uppvärmda vattnet.

På land hade primitiva växter sakta men säkert börjat växa. Det fanns dock en komplikation. Jord som vi känner till den existerade inte under Ordovicium. Jord är en kombination av mineraler och mestadels nedbrutet organiskt material. Och 465 mya skulle det översta lagret bara ha varit naken sten eller sand, oförmöget att stödja liv. Svampar, alger, mossor och lavar började växa på land i alla fall, som små, små växter som klöv sig in i klippan och sanden och försökte hålla sig kvar. De vanligaste växterna var lavar, som finns på torra ökenmarker än idag. När grävande djur började komma till, blev jorden mer bördig. Ordoviciska grävande djur var maskar och kvalster, som vred sig genom berget och luckrade upp det.

Men grävande av dessa små maskar och växter, som hade börjat fastna på stenarna, fick oväntade konsekvenser. Vid någon tidpunkt eroderade det översta lagret av sten på flera ställen bort i havet och dödade allt liv på det. Växter på land var fotosyntetiska, så det ständiga döendet av dessa växter gjorde att koldioxidhalten sjönk. Dött liv som hamnade i vattnet fick kolnivåerna i vattnet att stiga och syrehalten att sjunka.

Under tiden hade kratonerna som var kvar från Rodinia och Pannotia kombinerats på nytt för att bilda mindre kontinenter. Sydamerika, Australien, Antarktis, Indien och Afrika hade klumpat ihop sig till en stor kontinent som kallades Gondwanaland, uppkallad efter Gondfolket i centrala Indien. Gondwanaland drev stadigt mot sydpolen, in i planetens kalla, mörka underjordiska regioner. Den långsamma kylan, tillsammans med minskningen av koldioxid, ledde till ännu en istid.

Istider, liksom massutrotningar, har kommit och gått. Precis som massutrotningar har det funnits fem stora istider. Även om de fem stora av varje inte sammanfaller, åtföljs varje istid nästan alltid av ett massutdöende. I det här fallet sammanföll den tredje av de fem stora istiderna med det första av de fem stora massutdöendena. Den första istiden i Anderna och Sahara utlöste en kedja av händelser som ledde till det ordovicisk-siluriska massutdöendet.

Istider orsakar förändringar i havsnivån, storskaliga fluktuationer i klimatet och eventuell vulkanism som så småningom bidrar till den negativa återkopplingsslingan. Vulkanismen och havsnivåförändringarna släpper dock ut giftiga gaser i atmosfären som sedan kan orsaka anoxi (syrebrist) i haven och atmosfären, vilket bildar ytterligare en positiv återkopplingsslinga som gör att massutdöendena fortsätter. Detta massutdöende dödade över 40 % av livet på land och nästan 85 % av livet i vatten.

Bortsett från jorderosion och isbildning finns det en annan hypotes som forskarna misstänker kan ha orsakat massutdöendet: en gammastrålning.

Konstnärsskildring av en gammastrålning som förstör en stjärna. Bild: NASA Goddard Space Flight Center

Gammastrålningsutbrott är mycket kraftfulla, oförutsägbara energiblixtar som observeras i avlägsna galaxer. De är det mest energirika sätt på vilket elektromagnetisk strålning kan släppas lös i universum. De väller fram som jetströmmar när en döende stjärna kollapsar, ibland till ett svart hål. På mindre än två sekunder kan en gammastråleutbrott avge lika mycket energi som solen gör på tio miljarder år. Tio miljarder.

Exponering för en enda gammastråleutbrott i dess direkta bana skulle kunna förstöra vår planet fullständigt fysiskt och splittra den. En gammastråle som passerar jorden kan kemiskt skada atmosfären och beröva planeten allt ozon. Och den skulle praktiskt taget kunna döda allt liv på jorden i dag, vilket är exakt vad som hände under det ordovicisk-siluriska massutdöendet, det näst värsta massutdöendet som världen någonsin har sett.

Nästa avsnitt kommer att handla om växternas utveckling, djurens fortsatta utveckling, de första bergen på planeten, fem massutdöenden inklusive det nästa stora och bildandet av den sista stora superkontinenten.

Sandhya Ramesh är vetenskapsskribent med fokus på astronomi och geovetenskap.