De totale bevriezing; 700 MILJOEN JAAR GELEDEN WAS AARDE BEDEKT MET IJS

OPNIEUW ZIJN aanwijzingen gevonden dat de aarde zo'n 700 miljoen jaar geleden een aantal ijstijden doormaakte die veel omvangrijker zijn geweest dan de bekendere, recente ijstijden uit het Pleistoceen. Paul Hoffman c.s. van Harvard University acht het waarschijnlijk dat de aarde 700 miljoen jaar geleden over haar gehele oppervlak, dus van pool tot pool, met ijs bedekt was (Science, 28 augustus). De onderzoeksgroep komt tot die conclusie op grond van isotopenanalyse aan monsters uit carbonaathoudend gesteente dat in Namibië is aangeboord. Als de aarde werkelijk zo koud is geweest als wordt aangenomen, is een evolutionaire bottle neck gevonden waarmee tot dusver geen rekening is gehouden in de theorievorming rond de ontwikkeling van het leven.

De onderzochte geologische periode, die tot het Neoproterozoïcum wordt gerekend, luidt de overgang van Precambrium naar Cambrium in. Die overgangsperiode heeft al veel aandacht gekregen omdat dit het tijdperk is waarin de eerste macroscopische zeediertjes verschijnen (de zogenoemde Ediacara-fauna, bestaande uit poliepen, koralen en wormen). Dat de eerste macroscopische dieren pas zo laat verschenem, terwijl in de miljarden jaren daaraan voorafgaand al een flinke differentiatie in eukaryoten was opgetreden, wordt nog steeds als een raadsel beschouwd. De daaropvolgende explosie van zeer uiteenlopende levensvormen, voor het eerst ook op het land, wordt ook nog slecht begrepen.

Al langer was bekend dat zich in het Neoproterozoïcum omvangrijke vergletsjeringen hebben voorgedaan. Sporen daarvan zijn aangetroffen in gesteenten die destijds dichtbij de evenaar moeten hebben gelegen: daaruit werd afgeleid dat het toen veel kouder was dan in de recentere ijstijden. Maar de hypothese van een totaal verijsde aarde ('snowball earth') werd pas voor het eerst in 1992 expliciet geformuleerd door Kirschvink op grond van een onderzoek naar het voorkomen van ijzerlaagjes in gesteente uit die tijd. Niet-metallisch ijzer komt voor in twee oxydatietoestanden (ferro en ferri) en zouten van de gereduceerde vorm (ferro) zijn doorgaans veel beter oplosbaar dan die van de ferri-vorm. Het in oplossing gaan van grote hoeveelheden ijzer kan dus wijzen op het ontstaan van een anaerobe situatie en volgens Kirschvink kon zo'n situatie het gevolg zijn van een sterke afkoeling: als de oceanen geheel met ijs bedekt zijn stopt de mogelijkheid tot gasuitwisseling met de atmosfeer.

Hoffman c.s. komt tot dezelfde conclusie na onderzoek aan de koolstofisotopen C en C in carbonaatlagen die in dezelfde periode in ondiepe zeeën werden afgezet. C en C zijn beide stabiele isotopen maar de relatief lichte isotoop C is veel algemener dan C. De bij koolzuurassimilatie betrokken enzymen leggen kooldioxide met C als koolstofatoom net iets makkelijker vast dan CO met het zwaardere C. In geologische perioden met zware mariene algengroei waarbij het gevormde organische materiaal niet tegelijk weer wordt verbrand maar daarentegen bezinkt en begraven raakt, gaat de verhouding C/C van de CO in de atmosfeer en in water opgeloste carbonaten en hydrocarbonaten geleidelijk stijgen. Overheerst in een periode zonder veel planktonactiviteit de verwering van continentaal gesteente, dan daalt de verhouding C/C. Beide ontwikkelingen hebben zich 700 miljoen jaar geleden voorgedaan, met dien verstande dat de plotselinge dalingen in de verhouding C/C praktisch zonder weerga zijn. Hoffman c.s. weten deze 'isotopen-excursies' ook kwantitatief in verband te brengen met de bevriezing van het oceaanoppervlak.

De gehanteerde methode werd eerder gebruikt door Andrew Knoll, ook van Harvard, bij onderzoek aan koolstofhoudend gesteente op Spitsbergen (uit dezelfde geologische periode). Via een heel andere redeneertrant leidde hij uit de waarnemingen af dat de zuurstofspanning in de aardse atmosfeer aan het eind van het Neoproterozoïcum fors moet zijn gestegen. Pas toen werd de komst van macroscopische dieren mogelijk (Scientific American, oktober 1991). De abrupte variaties in de verhouding C/C zijn volgens Knoll het gevolg van oceanische opwellingen, een theorie die deze week wordt bestreden.

Hoe de aarde 700 miljoen jaar geleden zo kon afkoelen is onduidelijk. Aannemelijk is dat een uitbreiding van oppervlakten met sneeuw en ijs, zodra een bepaalde grens wordt gepasseerd, ook zelf de aanleiding kan worden tot een verdere afkoeling omdat sneeuw en ijs veel zonnewarmte terugkaatsen. Men neemt aan dat ophoping van vulkanisch CO in de atmosfeer op den duur een broeikaseffect teweegbracht dat het ijs weer deed smelten.