De grootste geologische vraagstukken

Grote vragen

Tot die 25 onderwerpen behoorden twee op het gebied van de geologie: (1) Hoe werkt het inwendige van de aarde, en (2) Hoe en waar ontstond het leven op aarde? Daarnaast waren er bij de 25 ‘topvragen’ overigens ook enkele onderwerpen die nauw met de aardwetenschappen zijn verbonden, zoals de vraag welke betaalbare energiebronnen in de afzienbare toekomst aardolie zouden kunnen gaan vervangen. Dat soort vragen laten we hier echter maar even voor wat ze zijn: de puur geologische vragen zijn al interessant genoeg, en bieden ook voldoende stof tot nadenken.

Kleinere vragen

Naast de 25 ‘topvragen’ stelde de redactie van Science ook nog een lijst van 100 onderwerpen op waarvan we ook nog heel weinig weten. Ook daarbij zaten enkele aardwetenschappelijke onderwerpen: (a) wat is de oorzaak van de ijstijden, (b) waardoor worden ompolingen van het aardmagnetisch veld veroorzaakt, © zijn er verschijnselen die het mogelijk maken om het optreden van aardbevingen te voorspellen, (d) wie was LUCA (Last Universal Common Ancestor: de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle op aarde levende organismen), (e) wat veroorzaakte massa-uitstervingen, en (f) waarom waren sommige dinosauriërs zo groot? Met 8% van de ‘topvragen’ en 6% van de meer algemeen intrigerende vragen scoren de aardwetenschappen niet slecht. Duidelijk is dat de aardwetenschappers – in ieder geval ten aanzien van de redactie van ‘Science’ – hebben weten duidelijk te maken dat hun vakgebied van fundamenteel belang is, en dat er nog veel onderzoek moet worden gedaan om de menselijke honger naar begrip te kunnen stillen.

Het is natuurlijk verheugend dat op al de genoemde terreinen veel onderzoek wordt verricht. Van de resultaten van dat onderzoek is in de ruim vijf-en-een-half jaar van het bestaan van Geonieuws ook uitgebreid verslag gedaan. Voordat we daar verder op ingaan, is het wellicht zinvol om na te gaan wat de door ‘Science’ daartoe aangezochte onderzoekers hebben te vertellen over de twee eerstgenoemde (fundamentele) vragen.

Het inwendige der aarde

Het inwendige der aarde blijft nog steeds een groot probleem, omdat vrijwel alle veronderstellingen berusten op indirecte gegevens. Omdat dit gewoonlijk om sterk wiskundig georiënteerde modellen gaat (die ook slecht zijn te illustreren) is hieraan relatief weinig aandacht besteed in Geonieuws (zie echter onder meer de artikelen 558, 413, 384, 381, 359, 302, 260, 187, 83, 78, 64 en 29). De gegevens waarop het inzicht over het inwendige der aarde is gebaseerd betreffen vooral het verloop van schokgolven bij aardbevingen, en het gedrag van gesteenten en mineralen onder extreem hoge druk en/of temperatuur gedurende laboratoriumexperimenten. Die laatste experimenten wijzen erop dat er veel meer compacte mineralen kunnen voorkomen dan tot voor kort werd aangenomen. Zo is op deze wijze onlangs een nieuwe vorm van SiO2 gevonden, met een kristalstructuur die lijkt op die van pyriet. Hoe interessant deze mineralogische problemen ook mogen zijn, van veel meer belang voor ons begrip van de aarde en de aardgeschiedenis is de opbouw ervan, en de bewegingen van massa’s in het inwendige. Het is nog niet zo lang geleden dat het beeld simpel was: een enkele tot enkele tientallen kilometers dikke korst, een aardmantel van 2800 km dik en een kern van 3470 km dik. Dat werd al iets gecompliceerder toen er onderscheid gemaakt ging worden tussen de overwegend basaltische oceanische korst en de gemiddeld veel zuurdere continentale korst, tussen binnen- en buitenmantel (beide bestaande uit silicaten), en tussen de vloeibare buitenkern en de vaste binnenkern (beide vooral bestaande uit ijzer).

Vooral de aardmantel roept nog veel vragen op. Er is in sommige gebieden bij vulkanisme materiaal naar buiten gekomen (bijv. duniet) dat naar alle waarschijnlijkheid zijn oorsprong in de aardmantel heeft. Zo weten we wel iets uit directe waarnemingen, maar het is toch bar weinig. Vrijwel alle inzichten zijn toch gebaseerd op seismiek. Die wijst op een scheidsvlak tussen binnen- en buitenmantel op 670 km diepte (er zijn recent ook aanwijzingen gevonden dat aan de onderzijde van de aardmantel een derde ‘ring’ bestaat van waarschijnlijk enkele honderden kilometers dikte). Het klassieke beeld is dat in de buitenmantel convectiestromen optreden (zoals in een pan op het vuur). ‘Pluimen’ van heet materiaal zouden, zelfs van vlak boven de 670-km grens, kunnen opstijgen (bijv. bij Hawaï), maar gesteentemassa’s – in welke vorm dan ook – zouden die grens niet naar boven of naar onderen kunnen passeren. Dat idee blijkt nu niet meer houdbaar: het blijkt dat materiaal de grens zowel omhoog als omlaag kan passeren, zij het met grote moeite.

De steeds verder verfijnde seismische technieken waarmee nu beelden uit de aardmantel kunnen worden verkregen, lijken het beeld niet duidelijker te maken. Integendeel, de nieuwe details compliceren het beeld steeds meer. Zo zijn er recent grote gesteentemassa’s gevonden onder Afrika en onder de Stille Zuidzee, die vanuit de mantel langzaam opstijgen. Onduidelijk is of dat komt doordat ze lichter zijn dan het omringende materiaal, of dat ze met een convectiestroom worden meegevoerd. Verder lijkt het erop dat op de bodem van de mantel plaatsen voorkomen met gesmolten materiaal. Volgens sommige onderzoekers zou dat kunnen gaan om plaatsen vanwaar mantelpluimen opstijgen. Het blijft voorlopig nog onduidelijk. Hoe en waar materiaal zich precies in het inwendige der aarde verplaatst, is op veel punten nog onduidelijk. Waarom die verplaatsingen plaatsvinden zoals dat gebeurt, is voorlopig nog een raadsel.

Het vroegste leven

Hoe verder we teruggaan in de tijd, hoe minder restanten van vroegere gesteenten – en dus ook hoe minder fossielen – er bewaard zijn gebleven. Bovendien zijn zeer oude gesteenten altijd blootgesteld geweest aan latere veranderingen (bijv. metamorfose), waardoor de sporen van het vroege leven vaak onherkenbaar zijn veranderd. Daarnaast is het moeilijk om de zeer kleine fragmenten van moeilijk als zodanig herkenbaar primitief leven te vinden en op hun waarde te schatten. Het gevolg is dat er eindeloze debatten worden gevoerd of bepaalde koolstofhoudende fragmenten wel of niet zeer oud leven representeren. Aan dat soort debatten is ook in Geonieuws altijd veel aandacht besteed (zie onder meer de artikelen 595, 592, 588, 563, 497, 470, 455, 436, 416, 411, 283, 276, 262, 239, 199, 185, 165, 113, 28 en 22).

Het onderzoek naar het oudste leven en de oorsprong daarvan wordt op twee wijzen benaderd. Sommige onderzoekers gaan uit van de huidige levensvormen en proberen te analyseren hoe die uit steeds primitievere voorouders kunnen zijn ontstaan. Anderen proberen juist het oudste leven te traceren en te analyseren hoe daaruit de huidige soorten door evolutie zijn ontstaan. Geen van beide benaderingen heeft tot nu toe de raadsels aangaande de oorsprong van het leven op aarde kunnen oplossen, en evenmin hebben deze benaderingswijzen al kunnen duidelijk maken hoe de eerste voorouder van al het leven er heeft uitgezien, en wanneer die geleefd moet hebben.

Hoewel sterk omstreden, zijn er aanwijzingen voor leven 3,4 miljard jaar geleden; analyse van gesteenten wijst er zelfs op dat er al 3,7 miljard jaar geleden fotosynthese zou kunnen hebben plaatsgevonden. Organische sporen van dat leven zijn echter nog niet gevonden. Misschien dat het ooit zal lukken om daar met recent voor DNA-analyse (DNA = desoxyribonucleïnezuur) ontwikkelde technieken iets van terug te vinden.

Het leven op aarde is gestoeld op dit DNA, alsmede op eiwitten. Zowel bij DNA als bij eiwitten gaat het echter om zulke complexe moleculen, dat het moeilijk voorstelbaar is dat die gelijktijdig – en uiteraard zonder tussenkomst van een levend organisme – in de ‘oersoep’ zijn ontstaan. Dat probleem lijkt nu oplosbaar, want alle levende organismen bevatten een derde (overigens ook vrij ingewikkeld) molecuul, RNA (ribonucleïnezuur) dat zowel de genetische code bevat als de rol van eiwit kan vervullen. Laboratoriumexperimenten wijzen bovendien uit dat DNA zichzelf kan vermenigvuldigen (waarbij ook nog eens minder fouten worden gemaakt dan wanneer RNA zich vermenigvuldigt), en dat het ook alle functies kan vervullen die nodig zijn om een primitieve cel in leven te houden. Het toevallige (?) ontstaan van DNA zou dus aan de basis van het leven op aarde kunnen hebben gestaan. Het leven zou dus een ‘DNA-fase’ kunnen hebben doorlopen, waarna het verder evolueerde, waarbij ook eiwitten werden gevormd. Die werken veel effectiever als katalysator van organische processen dan DNA. Zo zouden meer gecompliceerde organische processen mogelijk zijn geworden, en daarmee ook iets minder primitieve levensvormen.

Waar al deze processen hebben plaatsgevonden (als het leven al niet van buitenaardse oorsprong is!) is ook nog steeds onduidelijk. Er zijn tal van hypotheses over geweest, maar momenteel lijkt een zeer warme omgeving het meest waarschijnlijk; de directe omgeving van onderzeese vulkanen wordt nu veelal als milieu voor het ontstaan van leven genoemd. Overigens wordt door andere onderzoekers betwijfeld of DNA kan functioneren onder omstandigheden die vaak bij (of zelfs boven) het kookpunt van water liggen. Zo blijft het ontstaan van het leven op aarde vooralsnog een buitengewoon intrigerende vraag. Wellicht dat het onderzoek naar vroeger leven op Mars ook meer helderheid kan verschaffen over het vroegste leven op aarde.

Ideeën over de ‘kleinere vragen’

Zelfs dit jubileumnummer van Geonieuws kan niet al te diep ingaan op de ‘kleinere vragen’ die in Science aan de orde werden gesteld. Daarvoor is de ruimte te beperkt. Toch is het, juist in dit nummer, aardig om erop te wijzen dat Geonieuws in de afgelopen jaren veel aandacht aan de meeste van deze ‘kleine vragen’ heeft besteed. We zullen daarvan hieronder een aantal voorbeelden geven.

De oorzaak van de ijstijden leek zo mooi ontrafeld toen Milankovitch vaststelde dat de opeenvolging van ijstijden (glacialen) en tussenijstijden (interglacialen) binnen het laatste IJstijdvak samenhing met fluctuaties in de hoeveelheid zonneenergie die werden veroorzaakt door cycli in de baan van de aarde om de zon, van de hoek tussen aardas en aardbaan, en van de tolbeweging van de aardas.

Die ‘astronomische theorie’ wordt nog steeds als grondslag voor de afwisseling van glacialen en interglacialen beschouwd, maar hij geeft geen verklaring waarom er geologisch gezien slechts zelden een ijstijdvak optreedt. Ook geeft hij geen verklaring voor verschijnselen zoals de niet gelijktijdige temperatuurfluctuaties op het noordelijk en zuidelijk halfrond. Het blijkt dat er veel factoren een rol spelen. Daaraan is veelvuldig aandacht besteed in Geonieuws, onder meer in de artikelen 544, 503, 439, 406, 331, 325, 287, 188, 146, 25 en 11. Het lijkt er niettemin op dat de snel groenende berg gegevens over het laatste IJstijdvak eerder leidt tot meer vragen dan tot een beter inzicht. Het klimaat blijkt vooralsnog een ongrijpbare factor. Daarom zijn de (meestal pessimistische) voorspellingen over de toekomstige klimaatontwikkelingen (broeikas of toch juist een nieuwe ijstijd?) ook nog steeds niet erg serieus te nemen.

Ompolingen van het aardmagnetisch veld moeten worden veroorzaakt door processen in het inwendige der aarde. Daarvan weten we, zoals hierboven uiteengezet, echter nog steeds bar weinig. Zowel voor het ontstaan van het aardmagnetisch veld als voor de oorzaak, frequentie en snelheid van de ompolingen bestaan dan ook vooral theoretische modellen. Zie ook Geonieuws 459 en 243. Voorlopig blijven de ompolingen nog een raadselachtig verschijnsel.

Voorspellingen met betrekking tot het optreden van aardbevingen zijn ook buitengewoon moeilijk (zie Geonieuws 577 en 304), juist omdat aardbevingen worden veroorzaakt door processen in het inwendige der aarde. We kunnen die processen niet direct waarnemen en – hoewel we met de ontwikkeling van de theorie van de schollentektoniek veel meer inzicht hebben gekregen in het proces van schollen die onder andere schollen worden weggeduwd en dan zelfs in de aardmantel terecht kunnen komen – we begrijpen ook nog weinig van de factoren die bepalen wanneer de zich opbouwende spanning in de (diepe) aardkorst tot een ontlading komt. De catastrofes die aardbevingen teweeg kunnen brengen (Japan; de San Andreas breuk bij San Francisco) zijn zo kostbaar dat er zeer veel onderzoek wordt verricht op dit terrein, maar de resultaten zijn nog steeds mager.

De vraag wie LUCA (Last Universal Common Ancestor: de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle op aarde levende organismen) was, is meer van theoretische aard dan praktisch. Hoe oud de fossielen ook zullen zijn die ooit worden gevonden, en hoe primitief die levensvormen ook mogen zijn geweest, het zal uiteraard nooit mogelijk zijn om vast te stellen dat een bepaald fossiel het oudste organisme op aarde vertegenwoordigt. Het is natuurlijk ook buitengewoon onaannemelijk dat dat eerste organisme is gefossiliseerd (fossilisatie is immers een grote uitzondering); als het al gefossiliseerd mocht zijn, is het buitengewoon onaannemelijk dat het gesteentepakket waarin het fossiel was opgenomen nog niet ten prooi is gevallen aan opsmelting, zware metamorfose of erosie; en als LUCA al herkenbaar aanwezig zou zijn in een zo oud gesteente, is het buitengewoon onaannemelijk dat dat gesteente nu toegankelijk is voor onderzoek (het zou immers waarschijnlijk diep begraven liggen); en als dat gesteente al toegankelijk zou zijn, is het buitengewoon onaannemelijk dat LUCA gevonden zou worden door een paleontoloog; en als dat toch zou gebeuren, is het uiterst onaannemelijk dat die paleontoloog het extreem kleine fossiel met een nauwelijks gedefinieerde vorm als fossiel zou herkennen. LUCA blijft dus vooral een theoretisch begrip, waarop vooral (tot nu toe niet toetsbare) hypotheses kunnen worden losgelaten. Zolang er tussen biologen overigens nog geen overeenstemming bestaat over de definitie van leven, blijven de hypotheses over LUCA uiteraard wat ze nu zijn: meer fantasie dan wetenschappelijke hypothese.

De oorzaak van massa-uitstervingen is een onderwerp dat zowel binnen als buiten de aardwetenschappen veel belangstelling geniet. Daarom is er ook in Geonieuws regelmatig aandacht aan besteed (zie onder meer de artikelen 575, 572, 552, 518, 478, 445, 378, n308, 299, 216, 195, 190, 114, 96, 72 en 41). Duidelijk is zonder meer dat er geen sprake is van een oorzaak voor alle massa-uitstervingen: er zijn tal van oorzaken geweest. In sommige gevallen zijn er moeilijk weerlegbare verklaringen, zoals de inslag van een groot hemellichaam op de grens tussen Krijt en Tertiair (al wordt ook die hypothese door sommige onderzoekers sterk bekritiseerd). Uiteraard kan alleen een massa-uitsterving optreden wanneer het ecosysteem in een zeer groot gebied in korte tijd te gronde gaat. Daarvoor kunnen tal van processen verantwoordelijk zijn. Sommige van die processen zijn bekend, andere zijn hypothetisch, met verschillende maten van waarschijnlijkheid. Daarbij moet overigens wel worden bedacht dat ook onwaarschijnlijke processen een goede kans maken ooit op te treden, want de geologische geschiedenis is nu eenmaal zeer lang. Veel stratigrafische grenzen zijn ooit gebaseerd op plotselinge veranderingen in fauna en/of flora. Soms is dat een gevolg van een hiaat in de opeenvolging (door erosie of een tijd zonder sedimentatie), maar het ziet er naar uit dat het ook in veel meer gevallen dan vroeger gedacht gaat om massa-uitstervingen, die – zoals uit tal van waarnemingen blijkt – altijd worden gevolgd door de snelle opbloei van nieuwe soorten.

Waarom sommige dinosauriërs zo groot waren is weliswaar een nog niet duidelijk beantwoorde vraag, maar er wordt wel steeds meer duidelijk (zie onder meer de artikelen 596, 449, 300, 219 en 19 in Geonieuws). Dat is onder meer het gevolg van de grote interesse voor dinosauriërs bij het ‘grote publiek’. Dat leidt tot meer onderzoeksgeld en dus ook tot meer onderzoek. De hoeveelheid fossiel materiaal groeit dan ook snel, inclusief de eieren van sommige soorten dinosauriërs. Op basis van de embryo’s die daarin soms zijn terug te vinden (en in enkele gevallen zijn die embryo’s zeer goed bewaard gebleven), in combinatie met de aanwezigheid van skeletten van jonge en volwassen exemplaren, kan de groei van sommige soorten zeer goed worden gereconstrueerd, waarbij ook de evolutie soms goed is te analyseren (de ontogenie is een afspiegeling van de fylogenie, wat wil zeggen dat de ontwikkeling van een enkel individu – voor zijn geboorte – de evolutie van zijn soort weergeeft). Van de ‘kleine vragen’ op aardwetenschappelijk gebied is, naar mijn verwachting, dit daarom de vraag waarop het eerst een duidelijk antwoord zal worden gegeven.

Grote vragen uit andere wetenschappen

Hoewel Geonieuws, als elektronisch tijdschrift van de Nederlandse Geologische Vereniging, het brede maar wel aardwetenschappelijk geïnteresseerde publiek als primaire doelgroep heeft, is er in het verleden ook ruimschoots aandacht besteed aan onderwerpen die eigenlijk binnen andere wetenschappen vallen (biologie, ecologie, archeologie, paleoantropologie, astronomie, etc.). De raakvlakken zijn immers legio, en naarmate het onderzoek zich op steeds fundamentelere aspecten richt, vervagen ook de grenzen tussen de diverse wetenschappen steeds meer. Mede daarom bestaat er onder de lezers van deze bijdrage vast interesse in de 23 niet-aardwetenschappelijke ‘grote vragen’ die in het eerder genoemde nummer van Science werden gesteld.

Die vragen, waarop we hier overigens niet verder in zullen gaan, want dat ligt te ver van Geonieuws af, zijn de volgende:

- waaruit bestaat het heelal? - wat is de biologische basis van bewustzijn? - waarom hebben mensen zo weinig genen? - in hoeverre hangen genetische variatie en persoonlijke gezondheid met elkaar samen? - kunnen de grote wetten van de natuurkunde onder één noemer worden gebracht? - hoe ver kan de menselijke leeftijd worden verhoogd? - wat reguleert het herstel van beschadigde organen? - hoe kan een huidcel veranderen in een zenuwcel? - hoe ontstaat uit een enkele cel een hele plant? - zijn we alleen in het heelal? - wat bepaalt de verscheidenheid van soorten? - welke genetische veranderingen maakten de mens uniek? - hoe worden herinneringen opgeslagen en weer opgehaald? - hoe leidde evolutie tot samenwerkingsgedrag? - hoe zullen grote beelden zichtbaar worden uit de stortvloed van biologische gegevens? - tot welk niveau kunnen we chemische zelfopbouw bevorderen? - wat zijn de grenzen voor conventionele computers? - kunnen we (medische) afstotingsverschijnselen selectief uitsluiten? - liggen er meer fundamentele principes ten grondslag aan het onzekerheidsprincipe in de kwantumtheorie? - is het mogelijk een effectief vaccin tegen aids te ontwikkelen? - hoe warm zal de ‘broeikas-aarde’ worden? - wat kan goedkope olie vervangen – en wanneer? - zal Malthus het altijd bij het foute eind blijven hebben?

Er vallen nog heel wat vragen te beantwoorden. Gelukkig maar, want anders zou er geen Geonieuws zijn.

Referenties

Kennedy, D. & Norman, C., 2005. What don’t we know? Science 309, p. 75. Kerr, R.A., 2005. How does Earth’s interior work? Science 309, p. 87. Zimmer, C., 2005. How and where did life on Earth arise? Science 309, p. 89