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

De relatief rustige regio van de ruimte die we vandaag in het zonnestelsel innemen, verbergt een vurig, gewelddadig verleden, en een ijzingwekkende toekomst. Deze serie verkent de geologische en natuurlijke geschiedenis van de aarde, beginnend met de vorming van ons zonnestelsel, via inslagen van asteroïden en massa-uitstervingen, en eindigend met de menselijke invloed op het milieu van vandaag. Om de omvang van de veranderingen die onze planeet heeft ondergaan echt te kunnen bevatten, moeten we enorme tijdschalen doorlopen, waarbij we pauzeren bij belangrijke mijlpalen.

Tot nu: Het leven op aarde ontstond vrij snel, nauwelijks 500 miljoen jaar nadat onze 4,56 miljard jaar oude planeet was ontstaan. En zo’n 2,4 miljard jaar geleden (bya) verscheen zuurstof voor het eerst op grote schaal in de atmosfeer en de oceanen, wat prompt een massa-extinctie veroorzaakte en de Aarde in de Huronische ijstijd stortte.

Tijdens de Huronische ijstijd, veroorzaakt door de verzadiging van het nieuwe gas zuurstof in de lucht en het water, werd de Aarde geleidelijk koeler, ondanks de toenemende helderheid van de Zon naarmate zij ouder werd. Zuurstof in de atmosfeer verwijderde methaan, een broeikasgas dat de Aarde warm hield. De ijstijd volgde op de Grote Zuurstofinvasie, de eerste van de vierentwintig massa-uitstervingen die onze planeet heeft gekend. Talloze eencelligen werden weggevaagd, en de overlevenden werden in suspensie bevroren door de kruipende kou uit alle richtingen.

Aanwijzingen voor deze ijstijd zijn te vinden langs het gelijknamige Lake Huron en Lake Superior, in Canada. Dit deel van Canada is een kraton, een oud, stabiel deel van de aardkorst dat tot op de dag van vandaag is blijven bestaan. Dit kraton was een deel van Kenorland, het supercontinent dat bestond in de buurt van de equatoriale gebieden van de aarde. In feite vertonen andere Kenorland kratons, zoals Michigan en West Australië, ook bewijzen van grote glaciale afzettingen uit deze periode.

Toen onze planeet langzaam bevroor, met laag na laag ijsvorming op land en zee, begon het supercontinent Kenorland uit elkaar te vallen. En in het proces, werd vulkanische activiteit nieuw leven ingeblazen. In tegenstelling tot het andere supercontinent, Vaalbara, was Kenorland enorm. Terwijl Vaalbara slechts in twee kratons uiteenviel, nu in Afrika en Australië, was Kenorland enorm: het bevatte kratons die nu in Canada, de VS, Scandinavië, Groenland, en de Kalahari-woestijn in zuidelijk Afrika liggen. Wanneer zulke grote landmassa’s uit elkaar vallen als stukken van een koekje, veroorzaken zij extreme veranderingen in het wereldklimaat.

Vooreerst veroorzaken ze scheuren en spreidingen op de zeebodem. Hierdoor warmt het bovenste deel van de zeebodem op. De korst drijft op de mantel en verliest vaak zijn onderste delen aan het kleverige gesmolten gesteente. Omdat warm gesteente veel minder dicht is, stijgt het op in de mantel, waardoor de hoogte van de continenten toeneemt. Een toename in hoogte betekent grotere hoogten, waar de lucht kouder is. Bovendien veroorzaakte de opwarming van de oceanen een verhoogde verdamping, waardoor de neerslag wereldwijd toenam. Hierdoor koelde de planeet verder af. Naarmate de planeet meer en meer wit werd, nam haar reflectiviteit toe. Al het zonlicht werd weerkaatst, waardoor nog minder warmte kon worden vastgehouden.

Dergelijke gebeurtenissen die de toenemende koude blijven voeden, worden positieve terugkoppelingslussen genoemd.

In de Huronische ijstijd bedekten gletsjers en ijs delen van het land en de oceaan bijna tot aan de evenaar. Dit was de langste ijstijd in de geschiedenis, die bijna 300 miljoen jaar besloeg, van 2,4 bya tot 2,1 bya. Een belangrijke oorzaak voor het voortduren van deze ijstijd lijkt te zijn gelegen in een stagnatie van de vulkanische activiteit, waardoor de hoeveelheid kooldioxide en methaan in de atmosfeer verder afnam, waarvan een deel vast kwam te zitten in het ijs en de oceanen.

Eeuwen ijstijd eindigt als gevolg van een negatieve terugkoppelingslus. In een ijstijd valt er veel sneeuw en wordt water vastgehouden in de vorm van enorme hoeveelheden ijs op het land. Daardoor daalt het zeeniveau. De neerslag daalt ook omdat er gewoon niet genoeg water meer in de atmosfeer is. De neerslag houdt de kou in stand. Zee-ijs smelt sneller dan grote ijskappen op het land. Dus toen de aarde niet langer koeler kon worden en geen neerslag meer had om de kou in stand te houden, begon het warmer te worden door de zon. Zelfs een klein beetje smelten van zee-ijs kan ervoor zorgen dat water de warmte van de zon begint te absorberen, waardoor een kringloop ontstaat die kooldioxide vrijmaakt en meer smelt, waardoor de ijstijd zeer snel eindigt. Dit is de reden waarom alle ijstijden veel sneller eindigden dan ze begonnen.

Kort na het einde van de Huronische ijstijd en het uiteenvallen van Kenorland, viel in een deel van de wereldoceanen een eencellig organisme, waarschijnlijk een bacterie, een ander aan, waarschijnlijk een archaeon, dat het opslokte en binnenin zich liet overleven. Beide organismen hadden het afvalproduct van het andere nodig om te overleven, en zo werkten zij samen in wat endosymbiose wordt genoemd. Deze kleine cel werd het eerste complexe eencellige leven met een kern, membranen, en het archaeon dat de mitochondriën werd. Dergelijke levensvormen staan vandaag de dag bekend als eukaryoot, en deze specifieke cel is de voorouder van elk levend organisme vandaag de dag. Dit gebeurde ongeveer 2,1 bya, na bijna 2,5 miljard jaar van elementair, primitief, ronduit eenvoudig eencellig leven.

Conceptie van Rodinia door een kunstenaar. Credit: Tomo Narashima

Terwijl bewogen de delen van Kenorland die waren opgebroken zich voort in de zeeën, botsten opnieuw met nieuwere kratons en vormden een nieuw massief supercontinent dat Columbia werd genoemd. Columbia was zelfs groter dan Kenorland en bevatte kratons die nu behoren tot Noord-Amerika, Scandinavië, Australië, India en Zuid-Amerika. In feite werd de westkust van India verbonden met de oostkust van Noord-Amerika, terwijl de westkust van Canada werd verbonden met het zuiden van Australië. Scandinavië zat vast aan Brazilië, en alle landmassa’s lagen dicht bij elkaar. Nadat het 1,8 v. Chr. volledig was samengevoegd, begon Columbia in omvang toe te nemen door de vorming van vulkanisch gesteente aan zijn grenzen, waarbij het weggestroomde magma begon af te koelen en te stollen.

Deze vulkanische activiteit zette meer vulkanisme in het binnenland in gang, en begon het supercontinent op natuurlijke wijze op te breken. Columbia begon zich 1,4 v. Chr. op te splitsen, waarbij kratons zich verdeelden in delen van India, Noord-Amerika, China, Afrika, Scandinavië en het huidige Australië. Deze kratons overleefden niet lang onafhankelijk van elkaar. Zij botsten zeer snel met elkaar en met andere pasgeboren kratons en vormden het volgende supercontinent, Rodinia, 1,3 bya.

Rodinia bleef bijna geheel op het zuidelijk halfrond en is een zeer belangrijk onderdeel van de biologische geschiedenis van de aarde. Het supercontinent zag de evolutie van eukaryoten tot meercellige organismen door de eerste verschijning van seksuele voortplanting. Het zag de vorming van de ozonlaag in de atmosfeer; en het uiteenvallen ervan veroorzaakte weer een ijstijd, de angstaanjagendste van allemaal.

Toen Rodinia uiteen begon te vallen, veroorzaakte dat plotselinge, gigantische scheuren in de zeebodem. Hierdoor warmde de korst op, wat hetzelfde mechanisme veroorzaakte als de neerslagpieken in de vorige ijstijd. Dit resulteerde in meer afkoeling, waardoor een ijstijd ontstond.

Maar deze ijstijd, de Cryogene ijstijd, was anders dan de Huronische. Zo’n ijstijd is in de geschiedenis van de aarde nooit meer voorgekomen. IJskappen en gletsjers strekten zich uit van de polen tot het midden van de evenaar en bedekten elke centimeter van de planeet, waardoor het leek op een reusachtige sneeuwbal. Het fenomeen staat dan ook bekend als ‘Sneeuwbalaarde’. De Cryogene ijstijd werd veroorzaakt door twee snelle ijstijden in de ijstijd, gescheiden door een zeer kleine, warme interglaciatieperiode. Deze meest extreme ijstijd op onze planeet duurde van 720 mya tot 635 mya.

Het ontdooien van dit ijs – toen Rodinia zich afscheidde – bracht meer evolutie van leven met zich mee. Versplintering van landmassa’s deed het vulkanisme in de zeeën toenemen, wat op zijn beurt een toevloed van voedingsstoffen in het water veroorzaakte. In de laatste paar miljoen jaar van het Precambrium supereon verscheen het eerste ‘dier’: de spons. Door de verspreiding van de oceaanbodem ontstonden er ook veel ondiepe zeeën, waar het leven eindelijk de reis van het water naar het land maakte. Dit viel samen met de uiteindelijke ineenstorting van Rodinia en markeerde de overgang van de geologische tijdschaal van het Precambrium supereon naar het Fanerozoïcum eon.

Vanaf dit tijdperk wordt het geologisch archief op onze planeet gedetailleerder dankzij de overvloed aan fossielen. Het Phanerozoïcum, dat bij 542 mya begint, betekent letterlijk “periode van welbepaald leven”. Terwijl het Precambrische supereon drie grote eonen omvatte en meer dan vier miljard jaar duurde, gebeurde er in het Phanerozoïcum nog veel meer op aarde. Er was meer diversiteit, meer grootschalige veranderingen aan het oppervlak en in de atmosfeer van onze planeet, en maar liefst twintig massa-extincties meer.

Credit: Satwik Gade

In termen van leven kwam de grootste verandering op aarde tot stand in het vroege Fanerozoïcum, in de Cambrium-periode. Binnen 25 miljoen jaar was al het leven op Aarde onvoorstelbaar plotseling gediversifieerd. Uit elementair complex eencellig leven ontstonden de voorouders van veel van de huidige dieren. Forams, schimmels, algen, rifbouwende organismen – allemaal begonnen ze op te duiken in het fossielenbestand. De fossielen van insecten die op de zeebodem rondkropen zijn het talrijkst. Een dergelijke massale diversificatie van complexe organismen in zo’n korte tijd zonder ook maar een voorloper werd door Charles Darwin opgemerkt als een geldig argument tegen de theorie van natuurlijke selectie (survival of the fittest). Deze uitbarsting van diversificatie wordt de Cambrische explosie genoemd.

Terwijl was het leven op het land aan het worstelen om te overleven. Planktons waren al ontstaan, maar land werd eerst gekoloniseerd door microbiële matten van cyanobacteriën. Aanpassing aan land vereiste het vermogen om tegen de zwaartekracht in te groeien. Levensvormen moesten ook niet langer afhankelijk zijn van een medium als water om voedingsstoffen en eitjes/sperma te vervoeren. Een gebrek aan voedingsstoffen in de lucht betekende dat het moeilijker was om te overleven. Meercellige planten op het land deden er zeer lang over om zich te ontwikkelen, terwijl de diverse fauna op de oceanen zich snel vermenigvuldigde en floreerde. De dominante levensvormen tijdens het Cambrium waren de trilobieten, een groep uitgestorven geleedpotigen. Zij floreerden bijna 270 miljoen jaar, en waren daarmee de succesvolste van alle zeedieren. Zij overleefden de eerste twee van de dodelijke massa-uitstervingen en een totaal van acht, alvorens uiteindelijk van de aarde te verdwijnen.

Fossiel van een trilobiet gevonden in Marokko, Afrika. Credit: Mike Peel, 2010

Terwijl deze zee-insecten onder water rondkropen, kwamen de kratons boven de aarde weer in beweging. Ze botsten op elkaar en vormden weer een supercontinent, Pannotia. Maar deze keer bleven de bouwstenen van het supercontinent niet echt aan elkaar kleven. Minder dan 60 miljoen jaar na de vorming brak Pannotia uiteen, wat opnieuw grote catastrofes veroorzaakte op het wereldwijde klimaat en leven. Er waren vier snelle opeenvolgende massa-extinctie-pieken binnen 20 miljoen jaar van elkaar tijdens het Cambrium, waarbij bijna 40% van al het zeeleven werd uitgeroeid en een nieuwe periode werd ingeluid.

Het Ordovicium begon 485 mya en markeerde het verschijnen van de eerste echte gewervelde dieren: vissen. Er waren talrijke schelpdieren, weekdieren en geleedpotigen, vergelijkbaar met de huidige slakken, spinnen en garnalen in de oceaan, alleen veel kleiner in omvang. Er waren zeesterren, sponzen, koralen en andere filter-feeders die ronddreven in het langzaam opwarmende water.

Op het land begonnen langzaam maar zeker primitieve planten te groeien. Er was echter een complicatie. Bodem zoals wij die kennen bestond nog niet in het Ordovicium. Bodem is een combinatie van mineralen en grotendeels verteerd organisch materiaal. En 465 mya zou de toplaag gewoon kaal gesteente of zand zijn geweest, niet in staat om leven te ondersteunen. Schimmels, algen, mossen en korstmossen begonnen toch op het land te groeien, als kleine plantjes die zich in de rotsen en het zand vastklemden. De meest voorkomende planten waren korstmossen, die zelfs vandaag nog op droge woestijngrond te vinden zijn. Toen er gravende dieren kwamen, werd de bodem vruchtbaarder. De gravende dieren uit het Ordovicium waren wormen en mijten, die zich door het gesteente wurmden en het losmaakten.

Maar het graven door deze kleine wormen en planten, die aan de rotsen waren gaan kleven, had onverwachte gevolgen. Op een gegeven moment erodeerde de bovenste laag van de rotsen op meerdere plaatsen weg in zee, waardoor al het leven erop stierf. Planten op het land waren fotosynthetisch, dus het voortdurende afsterven van deze planten veroorzaakte een daling van het kooldioxideniveau. Het dode leven dat in het water terechtkwam, deed het koolstofgehalte in het water stijgen, waardoor het zuurstofgehalte daalde.

Tussen waren de kratons die overbleven van Rodinia en Pannotia samengesmolten tot kleinere continenten. Zuid-Amerika, Australië, Antarctica, India en Afrika waren samengeklonterd tot een groot continent, Gondwanaland genaamd, naar het Gondvolk van Centraal-India. Gondwanaland dreef gestaag af naar de Zuidpool, naar de koude, donkere onderwereldgebieden van de planeet. De langzame koude, in combinatie met de afname van kooldioxide, bracht weer een ijstijd teweeg.

Ocestijdperken zijn, net als massa-uitstervingen, gekomen en gegaan. Net als massa-uitstervingen zijn er vijf grote ijstijden geweest. Hoewel de Grote Vijf van elk niet samenvallen, gaat elke ijstijd bijna altijd gepaard met een massa-extinctie. In dit geval viel de derde van de Big Five ijstijden samen met de eerste van de Big Five massa-extincties. Het begin van de Andes-Sahara ijstijd bracht een keten van gebeurtenissen op gang die leidde tot de Ordovicisch-Silurische massa-extinctie.

ijstijden veroorzaken veranderingen in het zeeniveau, grootschalige schommelingen in het klimaat, en uiteindelijk vulkanisme dat uiteindelijk bijdraagt aan de negatieve terugkoppelingskringloop. Door het vulkanisme en de verandering van het zeeniveau komen echter giftige gassen in de atmosfeer terecht, die vervolgens anoxie (zuurstofgebrek) in de oceanen en de atmosfeer kunnen veroorzaken, wat weer een positieve terugkoppellus vormt waardoor de massa-extincties kunnen voortduren. Deze massa-extinctie doodde meer dan 40% van het leven op het land en bijna 85% van het leven in het water.

Naast bodemerosie en ijstijd is er nog een hypothese waarvan wetenschappers vermoeden dat die de massa-extinctie kan hebben veroorzaakt: een uitbarsting van gammastralen.

Artistieke weergave van een uitbarsting van gammastralen die een ster vernietigt. Afbeelding: NASA Goddard Space Flight Center

Gammastraaluitbarstingen zijn zeer krachtige, onvoorspelbare energieflitsen die in verre sterrenstelsels worden waargenomen. Ze zijn de meest energetische manier waarop elektromagnetische straling in het heelal kan worden ontketend. Ze komen als straalstromen naar buiten wanneer een stervende ster ineenstort, soms in een zwart gat. In minder dan twee seconden kan een uitbarsting van gammastralen evenveel energie afgeven als de zon in tien miljard jaar. Tien miljard.

Blootstelling aan één enkele uitbarsting van gammastralen op haar directe pad zou onze planeet volledig kunnen vernietigen, haar uiteenrijten. Een gammastraal die de aarde passeert, kan de atmosfeer chemisch beschadigen en alle ozon wegnemen. En het zou praktisch al het leven op aarde kunnen uitroeien, wat precies is gebeurd bij de Ordovicisch-Silurische massa-extinctie, de op één na ergste massa-extinctie die de wereld ooit heeft gezien.

De volgende aflevering zal gaan over de evolutie van planten, de verdere evolutie van dieren, de eerste paar bergen op de planeet, vijf massa-extincties waaronder de volgende grote, en de vorming van het laatste grote supercontinent.

Sandhya Ramesh is een wetenschapsschrijver die zich richt op astronomie en aardwetenschappen.