Decennia lang hebben geologen moeite gehad om een merkwaardige paradox in de diepe geschiedenis van de aarde te verklaren: de Sturtian-ijstijd, die ongeveer 720 miljoen jaar geleden plaatsvond, duurde 56 miljoen jaar. Standaard klimaatmodellen suggereren dat zodra een ‘Sneeuwbalaarde’-gebeurtenis begint – waarbij ijs de hele planeet bedekt – deze óf snel moet eindigen óf voor onbepaalde tijd bevroren moet blijven. Een duur van tientallen miljoenen jaren tart deze voorspellingen.
Nieuw onderzoek van de Harvard University biedt een overtuigende oplossing: de aarde zat niet opgesloten in een enkele, ononderbroken bevriezing. In plaats daarvan heeft de planeet tijdens het Neoproterozoïcum waarschijnlijk herhaaldelijk tussen de staten Sneeuwbalaarde (bevroren) en Hothouse Earth (ijsvrij) gefietst. Deze oscillatie helpt niet alleen de tijdlijn van de ijstijd te verklaren, maar ook hoe het complexe leven erin slaagde een dergelijke extreme volatiliteit van het milieu te overleven.
De koolstofcyclus als thermostaat
De studie, geleid door Charlotte Minsky, afgestudeerd aan Harvard en gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), maakt gebruik van een gekoppeld model van het oude klimaat en de mondiale koolstofcyclus. De onderzoekers identificeerden een specifieke geologische trigger: de Franklin Large Igneous Province, een enorm vulkanisch gebied in het noorden van Canada.
Hier is hoe de cyclus werkte, volgens de simulaties:
- De trigger: Bij vulkaanuitbarstingen in de provincie Franklin kwamen grote hoeveelheden vers basaltgesteente vrij.
- De afkoeling: Omdat dit basalt verweerde (afbrak) bij blootstelling aan de atmosfeer, absorbeerde het aanzienlijke hoeveelheden kooldioxide ($CO_2$). Deze afname van broeikasgassen veroorzaakte een mondiale ijstijd.
- De dooi: In de loop van de tijd hebben vulkanische activiteit en andere processen de atmosferische $CO_2$-niveaus langzaam opnieuw opgebouwd. Naarmate het broeikaseffect sterker werd, smolt het ijs, waardoor nieuwe basaltoppervlakken bloot kwamen te liggen.
- De herhaling: De blootstelling van vers gesteente leidde tot hernieuwde verwering, waardoor $CO_2$ weer naar beneden trok en een nieuwe bevriezing werd veroorzaakt.
Deze zichzelf in stand houdende lus van bevriezen en ontdooien zou op natuurlijke wijze de glaciale-interglaciale schommelingen tientallen miljoenen jaren in stand kunnen houden, waardoor de discrepantie tussen de geologische gegevens en eerdere klimaatmodellen zou worden opgelost.
Waarom dit belangrijk is voor de geschiedenis van het leven
De implicaties van dit onderzoek reiken verder dan de klimaatfysica; ze raken het voortbestaan van het vroege leven. Het Neoproterozoïcum markeert de periode vlak vóór de explosie van het dierenleven. Als de aarde in een enkele, permanente sneeuwbaltoestand was gebleven, zou het zuurstofniveau in de atmosfeer zijn ingestort, waardoor het moeilijk werd voor aërobe (zuurstofafhankelijke) organismen om te overleven.
Het onderzoek suggereert dat periodieke terugkeer naar warmere, ijsvrije omstandigheden ervoor zorgde dat de zuurstof in de atmosfeer stabiliseerde. Deze ‘adempauzes’ in de klimaatcyclus hebben mogelijk gezorgd voor de noodzakelijke ecologische stabiliteit om het leven te laten voortbestaan en uiteindelijk te evolueren naar complexere vormen.
“Wereldwijde ijstijden nabij het begin van het dierenleven… behoren tot de meest extreme klimatologische verstoringen in de geschiedenis van de aarde en hebben waarschijnlijk een sterke invloed uitgeoefend op de biologische evolutie”, merkten de onderzoekers op. “Dit zou kunnen helpen verklaren hoe het aerobe leven gedurende zo’n extreem interval bleef bestaan.”
Langdurige geologische puzzels oplossen
Dit model komt overeen met verschillende voorheen raadselachtige observaties in het geologische record:
- Sedimentaire patronen: De gesteentelagen uit dit tijdperk vertonen tekenen van herhaaldelijk bevochtigen en drogen, consistent met cycli van ontdooien en bevriezen, in plaats van een statische ijskap.
- Zuurstofstabiliteit: Ondanks extreme klimaatschommelingen bleef het zuurstofniveau relatief stabiel, een prestatie die moeilijk te verklaren is onder een scenario van permanente ijsbedekking.
- Duur: De 56 miljoen jaar durende tijdlijn van de Sturtian-ijstijd past perfect binnen de voorspelde duur van deze door de koolstofcyclus aangedreven oscillaties.
Conclusie
Door de Sturtian-ijstijd niet als een enkele gebeurtenis te beschouwen, maar als een dynamische cyclus, hebben wetenschappers de kloof overbrugd tussen klimaatmodellering en geologisch bewijs. Dit inzicht benadrukt het delicate evenwicht van de koolstofcyclus van de aarde en onderstreept hoe planetaire klimaatmechanismen een cruciale rol speelden bij het vormgeven van de omstandigheden die nodig zijn voor de opkomst van complex leven.
