Archeïcum

Het geologisch tijdperk van het Archeïcum, ook Archaïcum of Archeozoïcum (Engels: Archean of Archaean), is een eon in de vroege geschiedenis van de Aarde dat duurde van 4 tot 2,5 miljard jaar (2,5 Ga) geleden. Het Archeïcum vormt, samen met de direct erop volgende, geologische periode van het Proterozoïcum, het overkoepelende tijdvak van het Precambrium. Het begin van het Archeïcum valt samen met de ouderdom van de oudste gesteenten op Aarde.

Het Archeïcum wordt onderverdeeld in vier era's, van meest recent tot langstgeleden:

• Neoarcheïcum (2,8 - 2,5 Ga)
• Mesoarcheïcum (3,2 - 2,8 Ga)
• Paleoarcheïcum (3,6 - 3,2 Ga)
• Eoarcheïcum (4,56 - 3,6 Ga)

Het begin van het Eoarcheïcum is niet nader gedefinieerd. In sommige geologische tijdsschalen wordt de naam Hadeïcum (~ 4,56 - 3,8 Ga) gebruikt voor de periode tussen het ontstaan van de Aarde en de vorming van de eerste gesteenten.

Uit het Archeïcum zijn vooral vondsten bekend van sterk gemetamorfoseerde gesteenten. Bekend zijn onder andere de komatiieten van West-Groenland, met 3,8 Ga een van de oudst gedateerde ontsloten gesteenten op Aarde.

Er wordt aangenomen dat zo'n 70% van de landmassa op Aarde in het Archeïcum is ontstaan.

De aardatmosfeer tijdens het Archeïcum bevatte nauwelijks zuurstof, zodat dierlijke levensvormen niet zouden hebben kunnen overleven. Zuurstof kwam in zeer kleine hoeveelheden vrij in de hogere atmosfeer, bij de ontleding van waterdamp, door de werking van ultraviolette straling. Het gevormde zuurstofgas verspreidde zich vervolgens in zeer lage concentraties naar de lagere atmosfeer, en zodra het in aanraking kwam met gesteente aan het aardoppervlak reageerde het daarmee. De zuurstof brak daarnaast (via oxidatie) ook reeds gevormde organische verbindingen af, die juist essentieel zijn voor het leven.^[2]

De aanwezigheid van kussenlava's, mariene sedimenten, en microfossielen wijzen er allemaal op dat op het aardoppervlak al tijdens het Archeïcum vloeibaar water voorkwam. Daarnaast duidt ook de afwezigheid van sporen van vergletsjering voor 3,0 miljard jaar geleden op een klimaat dat net zo warm of warmer was dan tegenwoordig. Een directe aanwijzing voor de temperatuur van het zeewater volgt uit zuurstofisotopenanalyse van vuursteenlagen ("cherts"). Bij de vorming is de verhouding van zuurstofisotopen in vuursteen gelijk aan die in het zeewater. Zuurstofisotopen zijn gebruikt om het temperatuursverloop tijdens het Tertiair en zelfs het Fanerozoïcum te bepalen. Of de methode voor het Archeïcum ook werkt is onzeker. Voor zulke oude gesteentes is waarschijnlijk dat alteratieprocessen de isotopen hebben beïnvloed. Als voor elke ouderdom de hoogste waarde voor δ¹⁸O wordt genomen, levert dit echter een redelijk geloofwaardige temperatuurcurve. De curve laat een grote sprong zien rond 2,5 miljard jaar geleden, veroorzaakt door de ijstijd aan het begin van het Proterozoïcum. Voor het Archeïcum geeft ze lage δ¹⁸O-waarden en een zeewatertemperatuur tussen de 55 en 85 °C.^[3]

Het voorkomen van vloeibaar water staat haaks op kennis over de ontwikkeling van de Zon. De kosmoloog Carl Sagan noemde dit de "paradox van een zwakke jonge Zon". Als uitgegaan wordt van de normale levenscyclus van sterren, zou de Zon in het Archeïcum lichtzwakker zijn geweest dan tegenwoordig. Sterren zetten tijdens hun bestaan waterstof om naar helium, dat zwaarder is. De groeiende dichtheid in het binnenste van de ster zorgt voor een langzaam stijgende druk, waardoor de kernfusie versnelt en de lichtkracht van de ster toeneemt. In het begin van het Archeïcum (rond 3,8 miljard jaar geleden) had de Zon maar ongeveer 75% van zijn huidige lichtkracht.^[4] Rond 2,5 miljard jaar geleden, aan het einde van het Archeïcum, was de lichtkracht gestegen tot 82% van de huidige waarde.^[4]

Aangenomen dat de oppervlaktetemperatuur alleen van de inkomende straling afhangt, maakte de zwakkere jonge Zon het aardoppervlak gemiddeld ongeveer 20 graden kouder - genoeg om de oceanen te bevriezen. Het effect is nog sterker als rekening wordt gehouden met de afname van de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer als gevolg van de lagere temperatuur.

De vraag is daarom wat het aardoppervlak in het Archeïcum warmer maakte. De meest waarschijnlijke verklaring is een sterker broeikaseffect dan tegenwoordig. De beste kandidaat voor het verantwoordelijke broeikasgas is CO₂. Voor een oppervlaktetemperatuur boven het vriespunt bij 70% lichtsterkte van de Zon is echter 1000 maal zoveel CO₂ nodig als tegenwoordig in de atmosfeer aanwezig is. CO₂ zou dan ongeveer 25% van het gas in de atmosfeer uitmaken.^[4] Dit mag veel lijken, maar de hoeveelheid koolstof in sedimenten en in de bovenkorst is voldoende. Als al deze koolstof zich in het Archeïcum als CO₂ in de atmosfeer bevond, bevatte die bijna evenveel CO₂ als tegenwoordig op Venus. CO₂ kan daarmee een verklaring zijn voor het bestaan van vloeibaar water, maar voor een zeewatertemperatuur van 55 tot 85 graden is zelfs deze hoeveelheid CO₂ onvoldoende.

Een ander probleem met CO₂ zijn gegevens van 2,2 miljard jaar oude paleosols (fossiele bodems). In een CO₂-rijke atmosfeer wordt als verweringsproduct van ijzerrijk moedergesteente het mineraal sideriet (ijzercarbonaat) gevormd. In de paleosols komt dit mineraal echter niet voor. In plaats daarvan bevatten ze greenaliet, een ijzersilicaat dat instabiel is bij een hoge concentratie CO₂. Hoewel er veel onzekerheden zijn is het mogelijk uit het voorkomen van greenaliet een maximumwaarde voor de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer te bepalen: ongeveer 3%. Dat is ruim 100 maal zoveel als tegenwoordig maar onvoldoende om een hoge temperatuur in het Archeïcum te veroorzaken.^[4]

Behalve CO₂ kunnen andere broeikasgassen een rol gespeeld hebben. Waterdamp is een belangrijk broeikasgas, maar was waarschijnlijk niet verantwoordelijk: bij een lagere temperatuur condenseert water en verdwijnt het uit de atmosfeer. De aanwezigheid van zuurstof zorgt tegenwoordig voor de afbraak van methaan (CH₄) in de atmosfeer, maar in het Archeïcum was het gas waarschijnlijk stabieler. Een hoge concentratie methaan kan een laag uit koolwaterstoffen bestaande aerosols in de dampkring creëren, die net als een ozonlaag schadelijke straling tegenhoudt.^[4]

Ook zonder fotosynthese of andere biologische processen wordt op Aarde CO₂ uit de atmosfeer onttrokken: door verwering en begraving van sediment. CO₂ lost op in regenwater en maakt het zuur. Zure regen versneld de verwering van gesteente, waarbij CO₂ wordt omgezet in carbonaten. Deze anorganische afbraak van CO₂ verloopt relatief snel: het gas zou op de huidige Aarde binnen een miljoen jaar uit de atmosfeer zijn verdwenen als er geen nieuw werd toegevoegd.^[4]

Op Aarde is vulkanisme bij subductiezones een bron van nieuw CO₂. Bij subductiezones beweegt aardkorst de mantel in, met de bijbehorende laag sediment en al. In de mantel wordt het verhit tot honderden graden. Onder die temperatuur reageren de carbonaten naar CO₂. Vulkanen blazen het gas weer de atmosfeer in. Op een planeet met kleinere platen en meer subductiezones, zoals in het Archeïcum, verloopt dit recyclingsproces sneller en blijft de koolstof minder lang in sediment opgeslagen.

Deze kringloop van CO₂ heeft een stabiliserend effect op de temperatuur op Aarde. Als de temperatuur te laag is, bevriest water en verdwijnt de zure regen. In dat geval vindt minder verwering plaats en blijft meer CO₂ in de atmosfeer. Dit versterkt het broeikaseffect zodat de temperatuur stijgt. Bij een hoge temperatuur komt er juist meer waterdamp in de atmosfeer, zodat het klimaat natter wordt en de verwering toeneemt. Dit zorgt voor een afname van de hoeveelheid CO₂ en verkoeling van het klimaat.

De negatieve terugkoppeling in de kringloop kan de Aarde tijdens het Archeïcum warm gehouden hebben. De terugkoppeling kan geen te grote afwijkingen opvangen. Het is aannemelijk dat de condities op de buurplaneten Venus en Mars oorspronkelijk vergelijkbaar waren. Venus is dichter bij de Zon. De temperatuur was zo hoog dat teveel water verdampte. De waterdamp werd door fotolyse in de hogere atmosfeer afgebroken en verdween onherroepelijk. Zonder water kon geen verwering plaatsvinden en geen CO₂ uit de atmosfeer verdwijnen. Het gevolg was een CO₂-rijke atmosfeer en een op hol geslagen broeikaseffect. Op Mars kwam in het begin wel vloeibaar water voor, maar deze planeet is te klein voor platentektoniek. Zonder platentektoniek werd het door verwering uit de atmosfeer onttrokken CO₂ niet door vulkanisme gerecycled. Het gevolg is dat Mars tegenwoordig een ijle atmosfeer heeft en een te zwak broeikaseffect om vloeibaar water mogelijk te maken.

Een versnelling van de verwering kan oorzaak zijn van een afkoeling van het klimaat op Aarde. De verschijning van bodemvormende organismes rond 3,0 miljard jaar geleden versnelde de verwering, waardoor de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer daalde en het klimaat kan zijn afgekoeld.

De oudste directe sporen van leven zijn gevonden microfossielen van 3,0 tot 3,4 miljard jaar oud. Het betreft fossielen van eencellige, prokaryote, eenvoudige soorten cyanobacteriën, bacteriën die in staat zijn tot fotosynthese. Indirect bewijs voor fotosynthese wordt echter ook al gevonden in nog oudere gesteenten, zodat de huidige wetenschap aanneemt dat het leven ongeveer 3,9 miljard jaar geleden is ontstaan.^[5] DNA-onderzoek vanuit de moleculaire biologie komt uit op een vergelijkbare ouderdom van de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle bekende soorten levensvormen.^[6]

Het leven was in het Archeïcum waarschijnlijk beperkt tot eenvoudige, prokaryote soorten eencelligen. De huidige bacteriën zijn voorbeelden van prokaryoten. Cyanobacteriën ("blauwalgen"), die middels fotosynthese glucose, en van daaruit grotere biopolymeren, konden aanmaken uit koolstofdioxide en water, vormden kolonies van zogenaamde algenmatten, waarvan de fossiele vondsten bekendstaan als stromatolieten. Deze vroege levensvormen stonden aan de basis van de ontwikkeling van het latere, meercellige leven.

Omdat de atmosfeer in het Archeïcum nog nauwelijks zuurstof bevatte, zou hedendaags, aeroob leven niet hebben kunnen overleven. Bovendien betekende de afwezigheid van zuurstof dat er ook geen ozonlaag was, die het aardoppervlak had kunnen beschermen tegen, voor het leven schadelijke, ultraviolette straling. Het is aannemelijk dat tijdens het Archeïcum, vanwege de afwezigheid van een ozonlaag, alleen leven in zee mogelijk was, waar deze straling niet kon doordringen. Ook is de afwezigheid van een ozonlaag een mogelijke reden waarom Archeïsche levensvormen in kolonies leefden: de binnenste delen van de kolonie waren beter beschermd tegen de schadelijke straling.

Aan het begin van het Proterozoïcum vond de zuurstofrevolutie plaats: een grote toename van het zuurstofgehalte in de atmosfeer. Deze revolutie valt ongeveer samen met de ouderdom van de oudste, gevonden fossielen van complexere eencelligen (zogenaamde eukaryoten). De zuurstofrevolutie wordt daarom vaak aangewezen als mogelijke oorzaak van deze belangrijke stap in de evolutie. Het is echter ook mogelijk dat de eerste eukaryoten al voor de zuurstofrevolutie ontstonden, aan het einde van het Archeïcum.

Zie abiogenese voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Waar het leven vandaan kwam en hoe het ontstaan is, is niet duidelijk. Wel is zeker dat dit in de oceanen is gebeurd, de zogenaamde "oersoep". Er zijn vervolgens verschillende wetenschappelijke hypotheses over hoe in zee de eerste simpele cellen uit levenloze materie kunnen zijn ontstaan (abiogenese).^[7]

• Paleobiologie
• RNA-wereld

Zie de categorie Archean van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.