Eens in de honderd miljoen jaren

Begin jaren tachtig werd al ontdekt dat een kosmische inslag het einde betekende voor de dinosauriërs, 65 miljoen jaar geleden. Hoewel de meeste geologen en paleontologen aanvankelijk niets van die theorie moesten hebben – astronomen moesten zich vooral met hun eigen zaken bemoeien – stapelden de bewijzen zich langzaam maar zeker op. Inmiddels is zelfs de inslagkrater van die catastrofe gelokaliseerd, en vrijwel niemand twijfelt er meer aan dat er op de grens van de geologische perioden Krijt en Tertiair een planetoïde of een komeet met de aarde in botsing is gekomen.

Natuurlijk is er sindsdien uitgebreid gespeculeerd over de mogelijkheid dat ook andere uitstervingsgolven door zo’n inslag veroorzaakt zijn. Per slot van rekening leert de statistiek van rondzwalkende hemellichamen dat de aarde gemiddeld eens in de honderd miljoen jaar in aanvaring komt met een projectiel van tien kilometer groot, en als zo’n botsing de dinosauriërs de das om kan doen, moeten eerdere inslagen soortgelijke gevolgen hebben gehad.

Een team van geochemici onder leiding van Luann Becker van de Universiteit van Washington in Seattle en Robert Poreda van de Universiteit van Rochester, New York, heeft nu voor het eerst overtuigende aanwijzingen gevonden dat de aarde 251 miljoen jaar geleden ook getroffen is door een reuzenmeteoriet. Dat gebeurde op de grens van de geologische perioden Perm en Trias. Waar de inslag heeft plaatsgevonden – ergens op het supercontinent Pangaea of ergens in de nog veel grotere Panthalassa-oceaan – is niet bekend, en zal waarschijnlijk ook nooit achterhaald worden: als gevolg van de grote geologische activiteit van de aarde zijn de meeste sporen van een kwart miljard jaar geleden inmiddels volledig uitgewist.

Buckyballs

Hier en daar zijn die oude gesteentenlagen echter nog bewaard gebleven. Becker en haar collega’s hebben nu ontdekt dat 251 miljoen jaar oude aardlagen in Japan, China en Hongarije veel meer buckyballs (zie figuur 1.)bevatten dan oudere en jongere lagen. Buckyballs (officieel fullerenen geheten) zijn grote, min of meer voetbalvormige moleculen waarvan de afzonderlijke koolstofatomen de hoekpunten vormen van vijf- en zeshoeken. Ze zijn genoemd naar de Amerikaanse architect Richard Buckminster Fuller, die hetzelfde basisprincipe gebruikte voor het ontwerp van zijn beroemde koepelconstructies.

Op zich hoeft die extra grote concentratie natuurlijk niet te betekenen dat de buckyballs uit de ruimte afkomstig zijn. In principe zouden ze een aardse oorsprong kunnen hebben, ook al is dan niet meteen duidelijk waarom ze in oudere en jongere aardlagen nauwelijks voorkomen. Toch is Beckers team ervan overtuigd dat de voetbalmoleculen een buitenaardse oorsprong hebben. Ze bevatten namelijk edelgassen met een kosmische signatuur.

Edelgassen, zoals helium, neon, argon en xenon, zijn elementen die niet of nauwelijks chemische reacties aangaan met andere elementen. De relatief kleine edelgasatomen kunnen opgesloten raken in de kooivormige buckyballs zonder de vorming daarvan te verstoren. Wanneer de laatste koolstofmoleculen hun plaats innemen en de moleculaire kooi zich definitief sluit, zijn de edelgasatomen voorgoed gevangen.

Buitenaardse moleculen

Uit een zorgvuldige laboratoriumanalyse van de buckyballs in de 251 miljoen jaar oude aardlagen blijkt dat ze helium- en argonatomen bevatten met een samenstelling die kenmerkend is voor meteorieten. Helium en argon komen in verschillende varianten (isotopen) voor, elk met een verschillend atoomgewicht. De gevonden verhouding tussen helium-3 en helium-4 blijkt vijftig maal zo groot te zijn als de verhouding zoals die op de aarde voorkomt, terwijl de verhouding tussen argon-40 en argon-36 juist veel lager is dan de aardse waarde.

De gevonden isotopenverhoudingen stemmen echter nauwkeurig overeen met de kosmische waarden, zoals die onder andere in de interstellaire ruimte en in meteorieten zijn gemeten. Volgens Poreda is er dan ook geen twijfel mogelijk dat de buckyballs een kosmische oorsprong hebben. Ze zijn vermoedelijk ontstaan in de koele, buitenste lagen van koolstofrijke reuzensterren, en lang geleden in de interstellaire ruimte terechtgekomen. Daar maakten ze later deel uit van de oerwolk waaruit het zonnestelsel ontstond. In die oerwolk vormden zich planetoïden – die vooral uit steen bestaan – en kometen – vooral bestaand uit ijs -, en toen een van die kleinere hemellichamen 251 miljoen jaar geleden in botsing kwam met de aarde, werden de buitenaardse moleculen over het gehele aardoppervlak verspreid.

Een komeet

Uit de hoeveelheid gevonden buckyballs leiden de onderzoekers af dat het projectiel een middellijn van een kilometer of tien gehad moet hebben, vergelijkbaar met de afmetingen van het hemellichaam dat 65 miljoen jaar geleden met de aarde in botsing kwam. Er is wel een belangrijk verschil tussen de twee objecten: 65 miljoen jaar geleden dwarrelden overal op aarde ook grote hoeveelheden iridium neer, maar in de grenslaag tussen Perm en Trias is nauwelijks sprake van zo’n verhoogde iridiumconcentratie. Volgens inslagdeskundige Christopher Chyba van het SETI-instituut in Mountain View, Californië, doet dat vermoeden dat de dinosaurussen het loodje legden als gevolg van de inslag van een planetoïde, terwijl de catastrofe van 251 miljoen jaar geleden veroorzaakt werd door een komeet.

Selectie-effect

Nu de twee grootste ‘massa-extincties’ samen blijken te vallen met kosmische inslagen, werpt dat volgens paleontoloog Richard Bambach van het Virginia Polytechnic Institute in Blacksburg een bijzonder licht op de relatie tussen leven en kosmos. ‘Dit zijn de overgangen tussen drie van de vier belangrijkste geologische tijdperken’, aldus Bambach. De geologische geschiedenis van de aarde wordt in vier grote tijdperken ingedeeld: het Precambrium, het Paleozoïcum, het Mesozoïcum en het Kenozoïcum. Elk tijdperk is weer onderverdeeld in verschillende geologische perioden. De inslag van 251 miljoen jaar geleden markeerde het einde van het Paleozoïcum; de inslag van 65 miljoen jaar geleden het einde van het Mesozoïcum.

Bambach wijst er bovendien op dat het hier om de enige twee gebeurtenissen in de geschiedenis van het leven op aarde gaat waarbij de ecologische structuur van de biosfeer ingrijpend is veranderd. Dat blijkt in beide gevallen uit de sprongsgewijze toename van het aantal ‘actieve’ (zichzelf voortbewegende) organismen ten opzichte van het aantal ‘passieve’ diersoorten. Kennelijk was er op de een of andere manier sprake van een selectie-effect, maar naar de oorzaak daarvan kan slechts worden gegist, aldus Bambach.

Inslagwinter

Hoewel een planetoïde of komeet met een middellijn van een kilometer of tien onooglijk klein is vergeleken bij de aarde (die een middellijn van 12.756 kilometer heeft), kan zo’n kosmische inslag toch een wereldwijde catastrofe teweegbrengen. Alle bewegingsenergie van het aanstormende hemellichaam wordt bij de inslag in één klap omgezet in hitte, en een gigantische explosie met een energie van honderden miljoenen atoombommen is het gevolg. Het projectiel verpulvert en verdampt, en samen met opgeworpen materiaal uit de aardkorst komt die materie in de stratosfeer terecht, om zich vervolgens over een groot deel van het aardoppervlak te verspreiden. Vele jaren lang kan de zon volledig worden verduisterd, waardoor er sprake is van een ‘inslagwinter’.

Langdurige koude en duisternis zijn funest voor groene planten, en door het verbreken van voedselketens kunnen veel soorten al op korte termijn uitsterven. Daarbij komt dat de inslag wereldwijd hevige bosbranden kan veroorzaken, terwijl een inslag in zee tot kilometershoge vloedgolven leidt die de aarde enkele malen omspoelen. Er vindt een ingrijpende klimaatomslag plaats, die weer van invloed kan zijn op de oceaanstromingen. Organismen zijn niet in staat zich zo snel aan te passen aan de nieuwe omstandigheden, en binnen een paar duizend jaar voltrekt zich een ecologische catastrofe.

Schone lei

De ‘grote schoonmaak’ biedt echter wel kansen aan nieuwe levensvormen. Het is alsof de biosfeer een doorstart maakt met een vrijwel schone lei. Tal van niches zijn ‘onbezet’, en in een geologisch korte periode van enkele miljoenen jaren ontstaan er talloze nieuwe soorten, die uitstekend zijn aangepast aan de veranderde leefomgeving. Zo betekende de inslag van 251 miljoen jaar geleden weliswaar de definitieve doodssteek voor de trilobieten – zeer succesvolle geleedpotigen die ruim tweehonderd miljoen jaar lang de oceanen bevolkten – maar bood hij ook nieuwe mogelijkheden voor de verdere evolutie van de reptielen. Zonder de inslag aan het eind van het Perm zouden er misschien nooit dinosauriërs zijn geweest.

Vijfenzestig miljoen jaar geleden gebeurde er iets soortgelijks: de reuzenreptielen stierven uit, maar de zoogdieren, die tot dan toe altijd in de schaduw van de dino’s hadden geleefd, kregen nieuwe kansen. Die explosieve evolutie van de zoogdieren leidde uiteindelijk tot het ontstaan van de mens. Zonder de inslag aan het eind van het Krijt waren wij er niet geweest om ons over de grillen van de evolutie te verbazen.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 3 uit de jaargang 2002 van het blad Archimedes.