Tijdens de ergste ijstijden was de aarde geen sneeuwbal, maar een slushpuppie

Onderzoekers van de China University of Geosciences in het Chinese Wuhan hebben concreet bewijs gevonden voor een deels open oceaan gedurende een van de heftigste ijstijden ooit op aarde. Hun onderzoek, dat deze week verscheen in Nature Communications, zou de theorie van de sneeuwbal-aarde weerleggen. Die zegt dat de aarde tijdens de zogeheten marinoïsche ijstijd – ongeveer 650 tot 635 miljoen jaar geleden – volledig bedekt was met ijs. Wat de aarde dan wel was? Een ijskoude slushpuppie.

De marinoïsche ijstijd vindt plaats tijdens het cryogenium, ofwel ‘de geboorte van het ijs’. Hierin zouden gletsjers vanuit de polen als lange, soms wel twee kilometer dikke ijsplaten duizenden kilometers richting de evenaar hebben gelegen. Niet gek, want temperaturen op de polen konden dalen tot -130 graden Celsius. Daardoor bewogen gletsjers als een op-en-neergaande accordeon over honderdduizenden jaren steeds een stukje verder. Totdat bijna de gehele aarde was bevroren, waardoor leven haast onmogelijk was.

Wankele theorie

„Maar daar begint de theorie al te wankelen”, zegt Bas van de Schootbrugge, paleo-oceanograaf aan de Universiteit Utrecht, niet verbonden aan het onderzoek. „Veel algen en andere macro-organismen die nu in zee leven, ontstonden voordat de aarde bedekt raakte met ijs. Die zouden zo’n dik ijsschild helemaal niet overleven.” De hypothese: er bestonden mariene ‘reservoirs’ waar het leven gedurende deze ijstijden kon overleven. Maar ja, waar?

In de Nantuo-formatie in Zuid-China vonden de onderzoekers sediment dat gedurende de marinoïsche ijstijd is neergelegd door gletsjers. Deze rotsformatie lag destijds in zee. Hierin vonden de onderzoekers fossielen van fotosynthetiserende algen in kleine brokjes schalie. Van de Schootbrugge: „Dat zou betekenen dat er open plekken bestonden in dat dikke ijsschild.” In eerdere publicaties werd al gesuggereerd dat er een ijsvrije band rond de evenaar bestond, maar de onderzochte formatie lag 635 miljoen jaar geleden een stuk noordelijker.

Om te onderzoeken hoe de leefomgeving van deze macro-organismen er hier ongeveer uitzag tijdens de ijstijd werd het sediment in de Nantuo-formatie onderzocht op aanwezige stikstofisotopen. „Als alles onder het ijs ligt is de oceaan zuurstofarm omdat er geen circulatie meer is”, legt Van de Schootbrugge uit. „Het ijs werkt dan als een soort dekseltje.” Het resultaat: een relatief hoge concentratie lichte stikstofisotopen (¹⁴N) in het sediment. De onderzoekers vonden echter buitengewoon veel zware stikstofisotopen (¹⁵N) in het sediment. Dat lijkt dus niet te kloppen. Er zit een complexe verklaring achter: als er leven in het water aanwezig is, vissen deze organismen de lichte stikstofisotopen eruit. Die zijn makkelijker te verwerken. In een actieve cyclus waarbij organismen toegang hebben tot licht en zuurstof wordt stikstof in de vorm van ammonium (NH₄+) omgezet in nitraat (NO₃-). Dit wordt gebruikt door fytoplankton. Daarnaast wordt door bacteriën het nitraat omgezet, ofwel gedenitrificeerd, tot stikstof (N₂) dat uiteindelijk weer in de atmosfeer belandt.

Wegsmeltend beeld

Door deze twee processen blijven relatief veel zware stikstofisotopen achter in het sediment van de zeebodem. Dat zie je terug in de Chinese formatie die hier onderzocht is. Aan de hand van de verhouding tussen de lichte en zware stikstofisotopen in het sediment is te zien of er een actieve stikstofcyclus bestond, en of er dus zeeleven was tijdens deze ijstijd. De conclusie: „Dat was er dus.”

Het lijkt een steeds overtuigender verhaal. De aarde was grotendeels bevroren maar er waren ijsloze reservoirs, niet alleen rondom de evenaar, maar ook een stuk noordelijker. Volgens de onderzoekers bestonden deze reservoirs uit meren omringd door ijs, of zelfs uit een veel bredere ijsvrije band die de aarde omringde. Hierdoor konden eukaryote organismen – organismen met celkern – overleven en na de ijstijd, in het cambrium, evolueren tot complexere levensvormen die terug te vinden zijn als fossielen in gesteentes uit die tijd. „Dit onderzoek bevestigt die hypothese nu met concreet bewijs”, stelt Van de Schootbrugge. „Het beeld van een volledig bevroren aarde smelt zo beetje bij beetje weg.”