In den Beginne

Direct na de vorming van het zonnestelsel was de aarde nog een vloeibare massa, waarin de zware elementen naar het centrum zakten. Sinds kort krijgt men een beeld van deze eerste jaren.

Een van de eigenschappen waarmee de mens zich onderscheidt van andere primaten is dat hij niet uitsluitend in het heden leeft - hij ziet de wereld en zijn eigen bestaan in het perspectief van verleden en toekomst.

Al in mythen en natuurfilosofische speculaties van duizenden jaren geleden waren daarbij twee principieel verschillende uitgangspunten. Ofwel aarde en kosmos zijn een tijdelijk verschijnsel, met een begin in het verleden en een einde in de toekomst. Of aarde en kosmos hebben géén begin en einde, maar zijn eeuwig.

Met de opkomst van de moderne natuurwetenschappen maakten scheppingsmythen en speculaties plaats voor het moderne wereldbeeld gebaseerd op controleerbare observaties en fysische wetmatigheden. Dit wereldbeeld geeft ons zonnestelsel een concreet begin dat 4,57 miljard jaar terug ligt.

Volgens het gangbare "accretie-model' deed een plaatselijke verdichting van interstellaire materie een roterende, afgeplatte "oernevel' van gas en stof ontstaan. Mogelijk heeft een nabije supernova dit proces op gang gebracht. Verdichtingen onder invloed van de zwaartekracht deden in de "oernevel' de zon en de planeten ontstaan.

Een ster als de zon heeft een levensduur van ongeveer 10 miljard jaar. Daarvan hebben we nu de helft gehad. Na nog eens dezelfde tijd zal de zon aan zijn doodstrijd beginnen en zal het gehele zonnestelsel in de expanderende zonnemassa worden opgenomen. Voor zover het ons zonnestelsel betreft, is dus een van de oude natuurfilosofische twistpunten beslecht: er is een concreet begin en een concreet einde, met daartussen een tijdsinterval van zo'n 10 miljard jaar.

Ten aanzien van het heelal blijven de vragen omtrent eeuwigheid dan wel een begin en een einde actueel. Volgens het meest aangehangen model heeft het heelal een begin dat ten minste 15 à 20 miljard jaar achter ons zou liggen, de Big Bang. Daartegenover zijn echter ook nog theorieën gangbaar die uitgaan van een "steady state' model, waarbij het heelal altijd ongeveer net zo is geweest als het nu is.

Het perspectief van de moderne mens is dus dat hij leeft op een planeet die 4,57 miljard jaar geleden ontstond in een heelal dat ten minste 15 à 20 miljard jaar oud is.

Het geologisch archief laat zien dat de processen die we "leven' noemen, zich al ten minste 3,8 miljard jaar manifesteren. De geschiedenis van de mensheid is pas 2,5 miljoen jaar geleden begonnen, toen binnen de orde der primaten de eerste hominiden-soort evolueerde die stenen bewerkte tot werktuigen. Deze wordt als oudste vertegenwoordiger van het genus Homo beschouwd. In de vooralsnog slecht begrepen stamboom van dit genus verscheen onze soort mens, Homo sapiens sapiens, een paar honderdduizend jaar geleden.

Wij kennen onszelf dus niet meer een centrale plaats in het universum toe. Als een van de talloze levensvormen die de biosfeer heeft voortgebracht, leven wij in een dunne dampkring rond een minuscule planeet die hoort bij een onopvallende ster in een al even onopvallend sterrenstelsel. In het heelal zijn miljarden van dergelijke sterrenstelsels, elk met tientallen miljarden sterren die in grootte en temperatuur overeenkomen met onze zon - hun aantal wordt in ons melkwegstelsel op zo'n 40 miljard geschat. Hieronder zijn er vele met een gevolg van planeten. Het aantal planeten van het terrestrische type wordt alleen in onze melkweg al op ruim 600 miljoen geschat.

Hoe oud?

De vraag naar de lengte van de geologische tijd en de ouderdom van de aarde vormde tot in de eerste helft van deze eeuw een van de grote controverses in de natuurwetenschappen. Pas toen men rond 1950 begon om in meteorieten en aardse gesteenten de natuurlijke variaties in de isotopische samenstelling van sommige elementen te bestuderen, kon dit twistpunt definitief worden beslecht.

De meeste meteorieten representeren restanten van gruis uit de "oernevel', dan wel fragmenten van planetoden en komeetkernen. In veel meteorieten hebben sommige chemische elementen plaatselijk een isotopische samenstelling die afwijkt van de normale samenstelling in de materie van het zonnestelsel. Sommige van die anomalieën zijn ontstaan doordat er ten tijde van de vorming van het gesteente nog radioactieve isotopen met relatief korte halveringstijd aanwezig waren (minder dan 10 jaar). Die isotopen zijn door hun korte halveringstijd al lang uitgestorven, maar zij hebben hun sporen nagelaten in de stabiele dochterprodukten.

Zo bevatten sommige meteorieten een overmaat van het xenon-129 isotoop. Deze xenon-anomalie, die ook wordt aangetroffen in vulkanische gesteenten op aarde waarvan de oorsprong in de diepe aardmantel ligt, wijst er op dat het radioactieve moederisotoop jodium-129 (halveringstijd 15,7 miljoen jaar) nog aanwezig was ten tijde van de vorming van de meteorietgesteenten en de aardmantel.

In korte tijd

De synthese van elementen zwaarder dan helium-4 vindt plaats in sterren die veel groter zijn dan de zon. Alle zwaardere elementen in de materie van ons zonnestelsel zijn dus geërfd van oudere, grotere stermassa's. Dat er oorspronkelijk jodium-129 en een aantal andere radioactieve isotopen met korte halveringstijd in meteorietgesteenten en de aardmantel aanwezig waren, impliceert dat het ontstaan van ons zonnestelsel zich in geologisch korte tijd heeft voltrokken. De duur van het ontstaansproces is op basis van de isotopische anomalieën berekend op ten hoogste 5 miljoen jaar.

De vorming van het zonnestelsel is dus zeer snel verlopen, maar wat is de geboortedatum? Ook op die vraag geven radioactieve isotopen het antwoord, maar nu de isotopen met zeer lange halveringstijden (tussen de 10 tot 10 jaar) zoals de isotopen van uranium, thorium, rhenium, lutetium, samarium, lanthanum, kalium en rubidium.

In essentie komt de tijdmeting er op neer dat in een gesteente of mineraal de hoeveelheden worden bepaald van een radioactief isotoop en van het daaruit door radioactief verval ter plaatse ontstane stabiele dochterprodukt. Met behulp van de voor elk radioactief isotoop karakteristieke halveringstijd kan uit de verhouding van beide hoeveelheden de tijd worden berekend die is verstreken sinds het stabiele dochterprodukt begon te accumuleren.

Datering van verreweg de meeste meteorietgesteenten geeft ouderdommen van rond 4,57 miljard jaar. Dezelfde ouderdom wordt ook berekend op basis van de geleidelijke verandering van de isotopische samenstelling van lood in de aardmantel met het verstrijken van de geologische tijd, als gevolg van het radioactief verval van uranium en thorium. Deze ouderdom is thans algemeen geaccepteerd als geboortedatum van zonnestelsel en aarde.

Vroegste jeugd

Hoe zag de aarde er in haar jonge jaren uit? Het "geologisch archief' begint 3,96 miljard jaar geleden met de vorming van de oudste bewaard gebleven aardse gesteenten. Het gaat hierbij om magmatische gesteenten die diep in de aardkorst zijn gestold. Uit de voorgaande 610 miljoen jaar zijn nagenoeg géén directe getuigenissen tot ons gekomen. Deze vroegste jeugd van onze planeet wordt tegenwoordig vaak aangeduid als Hadecum, naar Hades, de Griekse onderwereld. De volgende 3,96 miljard jaar, die wél in het "geologisch archief' is gedocumenteerd, wordt op grond van geologische kenmerken en de aard van de biosfeer onderverdeeld in drie grote tijdvakken: het Archaecum tot 2,5 miljard jaar geleden, het Proterozocum tot 570 miljoen jaar geleden, en het Phanerozocum.

Het Hadecum was tot voor kort een volstrekt gesloten boek. Pas de laatste jaren begint men door geofysische modellering, de exploratie van de maan en andere planeten, en geochemisch onderzoek van de oudste Archaesche gesteenten een (nog zeer onvolledig) beeld te krijgen van de vroegste geologische geschiedenis van onze planeet.

Bij de snelle accretie van de aarde uit de "oernevel' kwam veel warmte vrij, berekend op 38.10 joule/gram. Voor de huidige aardmassa (6.10 g) komt dat neer op 2,3.10 joule. Dit was genoeg om de aardmassa grotendeels te doen smelten. In die gesmolten massa zakten de zware bestanddelen naar beneden, waardoor de ijzerrijke aardkern zich vormde.

Die kernseparatie ging ook gepaard met een enorme warmteontwikkeling, geschat op zo'n 10 joule. Daarbij kwam nog de warmteontwikkeling door radioactieve isotopen, zowel de uitgestorven kortlevende als de toen in veel grotere hoeveelheden aanwezige langlevende. Bovendien kwam volgens de huidige inzichten de aarde tegen het einde van haar accretie in botsing met één of enkele planetaire objecten, met een totale massa overeenkomend met die van Mars. De inslaande bolide(n) werd(en) gefragmenteerd, waarna de weggeslingerde brokstukken samenklonterden tot de maan. Die botsing genereerde eveneens veel warmte in de aardmassa, berekend op zo'n 5.10 joule.

Volgens modelberekeningen moet de pasgeboren aarde door al deze warmtebronnen tot op een diepte van vele honderden kilometers gesmolten zijn geweest (de "magma-oceaan'). Aan het oppervlak dreef een gestolde dunne korst van iets lichter gesteente, ongeveer met de samenstelling van basalt. Die koude korst werd voortdurend op grote schaal doorbroken door vulkanische erupties, waarbij enorme volumes basaltische lava uitstroomden. Van deze primaire korst is als gevolg van jongere geologische processen niets bewaard gebleven. Chemische differentiatie deed vermoedelijk al vroeg op kleine schaal dioritisch magma uit de basaltische magma's ontstaan: de oudste, 3,96 miljard jaar oude aardse gesteenten hebben een dioritische samenstelling.

Dit hevige vulkanisme bracht enorme hoeveelheden waterdamp en kooldioxyde naar buiten (tegenwoordig maken zij respectievelijk 80% en 20% van vulkanische gassen uit). Al vroeg in het Hadecum moeten zo oceanen en een kooldioxyde-dampkring zijn gevormd. De aarde kreeg het aanzien dat zij de volgende 2 miljard jaar zou houden: een planeet grotendeels bedekt met oceaan, hier en daar onderbroken door vulkanische eilanden en kleine continentale gebiedjes, en een dampkring grotendeels bestaande uit kooldioxyde, maar nagenoeg zonder vrij zuurstofgas. De oudste bewaard gebleven sedimentgemeenten op aarde (de 3,8 miljard jaar oude sedimentgesteenten in het huidige West Groenland) laten zien dat zij in een oceanisch milieu zijn gedeponeerd door in essentie dezelfde processen die thans operationeel zijn. De temperatuur aan het aardoppervlak lag toen dus al in het gebied waarin vloeibaar water (en dus leven) kan bestaan, ondanks het feit dat de zon ruim 30% minder warmte uitstraalde dan nu.

Inwendig was de aarde echter veel warmer dan nu - alleen al de warmteproductie door lang-levende radioactieve isotopen was 4 miljard jaar geleden zes maal hoger. De geologische processen die door de inwendige warmte aan de gang worden gehouden (vulkanisme en tektonische processen) moeten toen een ander karakter hebben gehad dan nu, maar vooralsnog is hierover weinig met zekerheid bekend. In het bijzonder is het onwaarschijnlijk dat het regiem van de moderne platentektoniek, dat sinds het einde van het Archaecum de bewegingen in de aardkorst bepaalt, voordien al operationeel was. Er bestaat echter geen twijfel dat de intensiteit van het vulkanisme groter was naarmate we verder in het verleden teruggaan. Vermoedelijk was alle vulkanisme voor het begin van de moderne platentektoniek van het "hot-spot' type, zoals nu op Hawa. Misschien kwamen de inwendige geologische processen tot aan het eind van het Archaecum enigszins overeen met die van Venus in onze tijd.

Een van de nieuwe inzichten die de geologische exploratie van maan en planeten heeft opgeleverd, is dat inslagen van grote planetoden en kometen een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van planeten. Dergelijke inslagen waren er af en toe door de hele geologische geschiedenis, maar het onderzoek van de maan heeft aangetoond dat de meeste inslagkraters daar tussen 4,1 en 3,9 miljard jaar geleden zijn gevormd. Dit "kosmisch bombardement' moet ook de aarde hebben geteisterd, rond het eind van het Hadecum. Op basis van de inslagfrequentie op de maan is berekend dat er op aarde toen zo'n 3000 inslagkraters met een doorsnede van meer dan 100 km zijn gevormd, waarvan 25 groter dan 1000 km, en talloze kleinere. De aardkorst werd tot op een diepte van zo'n 30 km verbrokkeld en verpulverd. Ook de sporen van dit "bombardement' zijn echter uitgewist door jongere geologische activiteiten.

Aardse thermostaat

Met het verstrijken van de tijd is de zon geleidelijk feller gaan schijnen. Desondanks zijn de temperaturen aan het aardoppervlak tot op heden steeds in het gebied gebleven waarin vloeibaar water kan bestaan. Er zijn zelfs aanwijzingen dat dit al 4,3 miljard jaar geleden het geval was. Er moet dus een wereldwijd regelsysteem zijn dat de temperatuur aan het oppervlak van onze planeet reguleert, een aardse thermostaat.

De werking van deze "thermostaat' wordt toegeschreven aan diverse wereldwijde negatieve terugkoppelingssystemen die functioneren door middel van de broeikasgassen in de dampkring, in het bijzonder kooldioxyde. Zeer gesimplificeerd kan dit regelsysteem als volgt worden gellustreerd: de hoeveelheid kooldioxyde in de dampkring wordt enerzijds bepaald door de voortdurende toevoer door middel van vulkanisme, en anderzijds door de voortdurende onttrekking door middel van biologische, chemische en geologische processen aan het aardoppervlak. Bij een warmer wordend klimaat neemt zowel de biologische produktiviteit als de intensiteit van de chemische verwering toe, waardoor er meer kooldioxyde aan de dampkring wordt onttrokken. De toevoer van het gas door middel van vulkanisme wordt echter bepaald door geologische processen diep binnenin de aarde, waarvan de werking onafhankelijk is van de condities aan het aardoppervlak. Een warmer wordend klimaat zal dus de vulkanische activiteit en de toevoer van kooldioxyde niet benvloeden. Omdat wél meer kooldioxyde aan de dampkring wordt onttrokken wanneer het warmer wordt, zal het niveau in de dampkring en daarmee de opwarming door het broeikaseffect afnemen. Dit werkt het warmer worden tegen. Bij een kouder wordend klimaat verloopt het proces in tegengestelde richting, waardoor de afkoeling wordt afgeremd.

Rond 4 miljard jaar geleden, toen de zon zwakker scheen, moet er zo'n 1000 maal meer kooldioxyde in de dampkring zijn geweest dan nu om via het broeikas-effect een klimaat tot stand te brengen waarbij vloeibaar oppervlaktewater kan bestaan. Naarmate de zon warmer werd, heeft de "aardse thermostaat' het niveau doen afnemen. Daardoor bleef de temperatuur aan het aardoppervlak ruwweg constant. Als enige van de planeten in ons zonnestelsel is de aarde daardoor al tenminste bijna 4 miljard jaar een oase in de ruimte, waar condities heersen die leven mogelijk maken. Deze "oase' bestaat waarschijnlijk al sinds het Hadecum, maar in ieder geval sinds het begin van het Archaecum.

In de oudste sediment-gesteenten wijst de isotopische samenstelling van koolstof (verrijking aan "licht koolstof') er op dat 3,8 miljard jaar geleden de zeeën al vol leven waren. Dit leven was vrijwel zeker bacterieel. Onbetwiste fossielen uit die tijd zijn echter (nog) niet gevonden. De oudste fossielen zijn jonger - zij dateren van 3,5 miljard jaar geleden en zijn afkomstig van diverse soorten bacteriën: eencellige organismen bestaande uit een primitieve cel zonder kern en met DNA-moleculen die niet in chromosomen zijn gerangschikt (prokaryoten). Maar hoe primitief ook, aan dit vroege leven moet een lange ontwikkeling vooraf zijn gegaan die al in het Hadecum is begonnen.

Onopgelost vraagstuk

Hoe het leven begon, is nog steeds een onopgelost vraagstuk. Elk levend organisme, zelfs het eenvoudigste, is een enorm complex samenstel van chemische verbindingen met het vermogen om een kopie van zichzelf te maken. De conventionele aanname is dat er in het Hadecum door een spontane reeks van chemische reacties in een omgeving met vloeibaar water steeds complexere organische moleculen (in de chemische betekenis, niet van levende organismen afkomstig) en uiteindelijk de chemische bouwstenen van het leven zijn gevormd. De volgende stappen in deze "chemische evolutie' leidden tot het ontstaan van de eerste levende organismen.

Men speelt tegenwoordig met het idee dat aan die "chemische evolutie' een of ander universeel, nog onbegrepen principe ten grondslag ligt, zelf-organisatie, waardoor fysische systemen waaraan energie wordt toegevoegd steeds complexer van structuur worden. Sommigen menen dat het begin van die "chemische evolutie' buiten de aarde plaatsvond. In de interstellaire ruimte en in meteorieten komen immers allerlei organische moleculen voor, waaronder sommige die overeenkomen met de chemische bouwstenen van het leven. Dergelijke complexe organische moleculen zouden in het Hadecum op aarde zijn "gezaaid' en de chemische voorlopers van het leven zijn geweest. Hoe dan ook, het geologische archief en de overeenkomst in biochemische kenmerken tussen alle levende organismen doen vermoeden dat alle leven afstamt van één enkele populatie van bacteriën die rond 4 miljard jaar geleden heeft geleefd.

Tot zo'n 2 miljard jaar geleden was er uitsluitend bacterieel leven. Ook daarna zijn deze primitieve organismen tot op de dag van vandaag de essentie van de biosfeer blijven uitmaken. Naast de "bacteriële wereld' is er slechts een bescheiden rol weggelegd voor dat wat wij in het dagelijks spraakgebruik de fauna en flora noemen.

Zuurstof

Ten minste 3,5 miljard jaar geleden waren er al bacteriën-soorten die de fotosynthese beoefenden, het proces waarbij een organisme de energie in zonlicht benut om kooldioxyde en water uit zijn omgeving om te zetten in koolhydraten onder afgifte van zuurstofgas. De hoeveelheid vrij zuurstofgas in de dampkring is echter tot zo'n 2 miljard jaar geleden nauwelijks boven het niveau gekomen dat er zonder biologische activiteit zou zijn, ongeveer 0,1 procent van het huidige niveau. Al die tijd moet de zuurstof die bij de bacteriële fotosynthese werd geproduceerd, direct weer zijn gebonden. Dit wordt in hoofdzaak toegeschreven aan twee processen: de oxydatie van reducerende gassen die bij vulkanisme werden uitgestoten (het vulkanisme was toen veel heviger dan nu), en de activiteit van bacteriën die hun energie voor levensfuncties ontlenen aan het gebruik van zuurstof om, bijvoorbeeld, ijzer te oxyderen dat in zeewater is opgelost. Zo zijn in het Archaecum en vroeg in het Proterozocum enorme gebande ijzerformaties gevormd, die nu de belangrijkste bron van ijzererts vormen.

Tussen 3,0 en 2,5 miljard jaar geleden veranderde de aarde ingrijpend. Geologische processen binnenin de planeet brachten een drastische uitbreiding van de landmassa's teweeg, waardoor de "jonge' oceanische aarde overging in de "volwassen' aarde met haar verdeling in oceanen en landgebieden. In samenhang met al die veranderingen begon de hoeveelheid zuurstofgas in de dampkring te stijgen. Dit leidde er toe dat tussen 2,0 en 1,5 miljard jaar geleden "eukaryotische' organismen evolueerden, gekenmerkt door cellen met een kern en met de DNA-moleculen gerangschikt in chromosomen.

Anomalie

Chemisch bezien is het hoge zuurstofgas-gehalte in de dampkring een anomalie. Dit gas wordt immers voortdurend gebonden door allerlei reducerende stoffen, vooral ijzer (dat in overvloed in gesteenten aanwezig is), organisch materiaal en reducerende bestanddelen van vulkanische gassen. Alle zuurstofgas in onze dampkring zou dan ook snel verdwijnen als er niet voortdurend "nieuw' gas zou worden toegevoerd. Die toevoer komt in hoofdzaak uit twee bronnen.

De ene bron is van fysische aard: het uiteenvallen (dissociatie) van watermoleculen in de bovenste lagen van de dampkring onder invloed van de ultraviolette straling van de zon. De vrijgekomen waterstof ontsnapt naar de ruimte, terwijl de zwaardere zuurstof achterblijft. De bijdrage uit deze bron, thans ongeveer 2,5 miljoen ton zuurstofgas per jaar, is echter triviaal in vergelijking met de ongeveer 266 miljoen ton per jaar afkomstig uit de tweede bron, het samenspel van biologische fotosynthese, respiratie/oxydatie en geologische processen. Bij de fotosynthese komt zuurstofgas vrij en wordt organisch materiaal geproduceerd.

Daartegenover staat dat deze reactie ook in tegengestelde richting verloopt doordat bij de ademhaling door organismen en de rotting (verbranding) van organisch materiaal zuurstofgas wordt gebonden. Een klein deel van het geproduceerde organisch materiaal (thans ongeveer 0,1 procent van de jaarlijkse productie) wordt echter van de dampkring gesoleerd doordat het als gevolg van geologische processen in sedimenten wordt begraven (aardolie, aardgas, steenkool en verspreid organisch koolstof).

Het is dit begraven van dood organisch materiaal dat het hoge gehalte van zuurstof in de dampkring in stand houdt. Elk koolstofatoom dat aan de kringloop van fotosynthese, ademhaling, rotting (verbranding) en oxydatie wordt onttrokken, levert een netto winst op van één zuurstofmolecuul. Het huidige niveau van 21 procent respresenteert een evenwichtstoestand in dit complexe samenspel tussen biologische, geologische, chemische en fysische processen. Dit niveau is ongeveer 450 miljoen jaar geleden bereikt, toen het landoppervlak met vegetatie werd bedekt. Sedertdien zijn er slechts in beperkte mate fluctuaties opgetreden.

Systeem aarde

Tegenwoordig begint de opvatting veld te winnen dat alle aspecten van onze planeet - de dampkring, de oceanen, de biosfeer, het landoppervlak, de aardkorst, de diepe aarde en al hun wisselwerkingen - componenten zijn van één gentegreerd systeem, het systeem aarde. Dit systeem functioneert al ten minste 4 miljard jaar, zij het dat het in de loop van de tijd in een aantal opzichten is geëvolueerd. Het systeem wordt aan de gang gehouden door enerzijds de inkomende zonne-energie, die in de loop van de tijd met het warmer worden van de zon geleidelijk is toegenomen, en anderzijds de eigen warmteproduktie van de aarde, die geleidelijk is afgenomen door het verval van de warmteproducerende radioactieve isotopen.

Onderzoek van de vroegste geschiedenis van onze planeet is een speurtocht naar de oorsprong van het "systeem aarde' en naar de wortels van ons eigen bestaan. Voor direct geologisch onderzoek van die begintijd is men aangewezen op de schaarse gebieden waar gesteenten uit het vroegste Archaecum bewaard zijn gebleven. Een van die gebieden ligt in West-Australië, waar sinds enkele jaren in een 3,5 miljard jaar oud segment van de aardkorst uitgebreid geologisch onderzoek wordt verricht door de Rijksuniversiteit Utrecht - de enige universiteit in Nederland waar na de landelijke kaalslag van de laatste decennia de aardwetenschappen nog vrijwel volledig vertegenwoordigd zijn.