C
Karbon
© CAPPELEN DAMM AS 2015 Forfatter har fått støtte fra Det faglitterære fond til å skrive manuskriptet til denne boken. ISBN 978-82-02-45867-6 1. utgave, 1. opplag 2015 Omslagsdesign: Eivind Stoud Platou Sats: Type-It AS, Trondheim 2015 Trykk og innbinding: Livonia Print, Latvia 2015 Satt i 10,8/12,6 pkt. MinionPro og trykt på 120 g Munken Lynx 1,13. Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med Cappelen Damm AS er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. www.cappelendamm.no
Forord
7
Del I C i alt
9
En personlig relasjon til C 9 C i alt 12 Ilden forklares 20 Forkledningens mester: det myke, harde og runde Nylonstrømpenes etterkommere 37 C på hjul 43 Plastic fantastic 46 Synthia som karbonfabrikk 52 Bygge og brenne – C i livslikningen 55 Fra C3 til C4 – og verdens viktigste protein 59 Atomfysikkens løsning på fotosyntesen 66 Fotosyntesen i revers 69 Gode naboer 72 C og 4H – et hett partnerskap 80 Metan – også til nytte 84 Arkene 87
28
6 Del II C i kretsløp
95
Keelings kurve 95 En svenske forut for sin tid 102 Ett eller mange kretsløp? 107 Pyramider, kjeder og nett 110 Karbondronningen Emiliania 116 Borealis 122 Paradise lost 132 Det lange C-kretsløpet 138 Antropocen 145 Gaia og tilbakekoblingene 154 Surere og blåere 162 Metanbomber 169 Mellom snøball og helvete 174 Oksygenets evolusjon 184 Nitrogen og fosfor – de STORE kretsløpsendringene Del III Fotavtrykket
203
Paradise lost II 203 Skostørrelsen 207 How bad are bananas? 211 Petroholismens abstinenser 219 Til slutt 226 Register 251
Karbon – en uautorisert biografi
192
Det er til tider slik at det som er oss nærmest, og det som er viktigst for oss, er det vi vet minst om. Hva er viktigst for liv slik vi kjenner det? Vann? Ja, utvilsomt. Både hydrogen, oksygen og deres livgivende allianse i H2O er sterke kandidater. Fosfor? Jo visst, uten fosfor intet DNA, ingen gener, intet liv. Karbon blir allikevel elementet som her får sin uautoriserte biografi. Det er gode grunner til det. Karbon er livets sentrale element, og det meste av livsprosessene i oss og omkring oss involverer karbon i en eller annen form. C i rent form kan være både blyantens grafitt og diamant. Samtidig er C utgangspunkt også for det meste av det syntetiske som er grunnlaget for det moderne liv, men grensen mellom det naturlige og det syntetiske er ikke så skarp som man kanskje skulle tro. Essensen i denne fortellingen er allikevel karbonets livsløp eller kretsløp, den store balansen mellom fotosyntese og celleånding, det å bygge og det å brenne. C er en førsteelsker blant atomene, og av de mest intense og skjebnesvangre forhold C går inn i er trekanten med to O-er. CO2 er livets og dødens gass, og for å forstå klimaets utvikling i fortid og framtid må vi også forstå karbonets runddans og hvordan vi påvirker den. Planetens framtid avhenger av vår omgang med C, og det er derfor en velbegrunnet titt vi nå skal ta i karbonets liv. Hvor begynner og hvor slutter en sirkel? Det er ikke godt å si hvor det
8 er mest naturlig å hoppe inn i karbonets kretsløp, som jo er en endeløs rekke av små og store, sammenkoblede kretsløp. Jeg skal innrømme at jeg fant det vanskelig å finne ut hvor jeg best skulle smette inn for å følge C i dets evige runddans uten å følge de samme spor flere ganger. Allikevel, uansett hvilke spor man følger, leder de alle til slutt fram til det store spørsmål om C og klodens framtid. Deler av denne teksten vil nok favorisere realfaginteresserte. Det er imidlertid lov og fullt mulig å hoppe over disse partiene uten å miste det store bildet. Stor takk til Henrik Svensen for gjennomlesning og kommentarer og til forlaget ved Erik Møller Solheim for støtte og gode innspill gjennom hele prosessen, og Helge Vold for grundig gjennomlesning og retting. Boken er skrevet med støtte fra Norsk faglitterær forfatter- og oversetterforening, og har dratt av Forskningsrådets prosjekt Effects of Climate change on boreal lake ecosystems. Denne boken er tilegnet min far, den beste jeg kunne hatt, som gikk bort idet jeg satte sluttstrek. Oslo i mai 2015 Dag O. Hessen
Karbon – en uautorisert biografi
En personlig relasjon til C Det drypper tunge dråper fra trærne omkring, og regnet plasker ned på vannet der ute. Det sildrer også ned på en presenning spent ut mellom trærne. Under presenningen sitter tre personer krumbøyd over mikroskop, pipetter, små plastbokser, filtreringsutstyr og annet som hører hjemme på en lab. Tåken ligger tett omkring oss, det er midnatt, mørkt, og vi utfører vårt arbeid knestående, i lyset fra hodelykter. Prøvene puttes ned i de små plastflaskene som fylles med en litt seig, gjennomsiktig væske fra en metallkanne med dispenser. Lokket skrus tett på, prøvene merkes og settes i et stativ. Hver 4. time ror to av oss i en gebrekkelig liten båt ut på vannet, henter forskjellige prøver opp fra seks store poser forankret i et rammeverk. Hver pose inneholder et par tusen liter vann. Så ror vi tilbake, krabber under presenningen, og fortsetter … Utpå morgenkvisten gir regnet seg. Jeg setter meg i enhver forstand omtåket ved bredden av vannet og ser solstrålene trenge gjennom morgendisen, som er i ferd med å lette over vannet. To øyenstikkere patruljerer over vannliljene langs bredden. Omkring vannet står skogen tett og grønn. Med ett får jeg en fornemmelse av naturens innpust og utpust omkring meg. Alt syder av liv, og det syder av karbon. Alt unntatt vannspeil og himmel er nyanser av grønt; milliarder av kloroplaster. Karbon,
10 i form av CO2, pustes ut og inn av en uendelighet av spalteåpninger i løv og nåler før det transporteres til kloroplastene. Her foregår verdens viktigste kjemiske reaksjon hvor gassen nesten mirakuløst blir transformert til organisk karbon i form av karbohydrater som sukker, stivelse og cellulose. Og som en bonus, en formidabel bonus, gir samme reaksjon opphav til det oksygen som den andre halvdelen av livet er avhengig av. Og dette karbonet som plantene binder opp, det går sin gang i økosystemene, fra evighet til evighet. Karbonet er kjemiens potet, det inngår i nesten alle kroppens molekyler og bestanddeler, ja, når sant skal sies er C’en med i nesten alt – i de utroligste varianter. I all sin alminnelighet er det en uunnværlig C. Jeg gjør mine forsøk i store innhegninger av plast ute på sjøen, og alt jeg kan komme på av utstyr er karbonpolymerer: pipettene, beholderne, stativene de står i, duken over hodet, ja, selv klærne. Er det noe her som ikke er karbon? Og mitt eget C som jeg har til låns, noe er bare på snartur innom, noe skal følge meg hele livet, det har sirkulert i plantene, bakteriene, dyrene, mineralene i milliarder av år, og skal fortsette å gjøre det i nye milliarder år etter meg. Evig liv vil alltid være en utopi, men som deltaker i karbonkretsløpet har vi alle en aksje i evigheten. Tanken på karbonets kretsløp, og min egen, om enn ytterst kortvarige og beskjedne delaktighet i det, gir en følelse av tilhørighet under evighetens perspektiv der ved bredden. Carl von Linné mente at vi, altså mennesket, var plassert her på jorda som tolkere av et guddommelig skaperverk.1 Fremst i rekken av tolkere av den gudommelig designede natur så han ubeskjedent nok seg selv. Vi tre her ved en innsjø i skogen er i all beskjedenhet ute i et mindre ærend, men allikevel et ærend som i ettertid skulle vise seg mer betydningsfullt enn vi ante: Vi er her for å forstå mer av karbonets evige runddans. De seks kjempeposene i vannet er tilsatt ørsmå mengder av en spesiell
Karbon – en uautorisert biografi
11 form for karbon, nemlig radioaktivt karbon, isotopen 14C som i motsetning til normalutgaven 12C inneholder seks protoner og åtte nøytroner (6 + 8 = 14). Dette tilsatt som 14CO2 gjør at vi kan følge hvordan C tas opp i algene, vannets encellete planter, inn i bakteriene, inn i dyreplankton, og ut av systemet igjen som 14CO2. Det radioaktive karbonet i våre prøver, i de små plastflaskene, gir fra seg elektroner som gir et lite lyssignal hver gang det fanges opp i den tyktflytende væsken. Disse glimtene kan fanges opp når vi senere putter prøvene i en scintillasjonsteller. Dette skal bli del av min doktorgrad, og den skal bidra til at vi etterpå vet litt mer. Natten under presenningen, sammen med prøver fra tallrike andre dager, netter og et ukjent antall analyser, statistiske behandlinger og skrivearbeid ble en sentral del av min avhandling om karbonets uransakelige veier. Radioaktivt C ble nøkkelen til å forstå selve fotosyntesen, og det går her en direkte vei fra atomfysikkens til biologiens innsikter. Sola, motoren i det hele, tar tak. Det blir varmt, og tåka forsvinner for alvor. Før prøvene skal gjennom scintillasjonstelleren skal jeg bevilge meg noen få timers søvn. Å se resultatene tikke ut av måleinstrumentene er en av forskerens sære gleder som man bare unntaksvis lykkes med å formidle til omverdenen. Noen ganger kreves bare et døgn for å se om punktene på kurven svarer til forventningene. Andre ganger kan det ta år, og krever en ganske usedvanlig tålmodighet som dagens forskere sjelden har, eller kan bevilge seg. Men Charles David Keeling hadde det som skulle til. I 1957 insisterte han på noe så absurd som å plassere et måleinstrument på toppen av fjellet Mauna Loa på Hawaii.2 Det ga opphav til en figur som nok må sies å ha bidratt til større oppmerksomhet omkring C enn min egen, selv om de i all beskjedenhet må sies å tilhøre samme historie – historien om C. Takket være sin usedvanlige kombinasjon av nøyaktighet og tålmodighet kunne Keeling til sin forbauselse konstatere at CO2-konsentrasjonene økte år for år. Det kunne bare bety
C i alt
12 at det var en grunnleggende ubalanse i karbonkretsløpet – det ble sluppet ut mer C enn det som ble tatt opp. Det livgivende CO2 hadde også en mørkere side. Etter hvert ble det klart at konsentrasjonen av metan i atmosfæren også gjennomgikk samme urovekkende økning. Karbon, livets element, er blitt vår største trussel. Vi skal behørig vende tilbake til karbonsyklusen(e), Keeling selv, hans etter hvert berømte kurve og hva den vil innebære, men la oss først se nærmere på hovedaktøren i denne fortellingen og de tallrike, for ikke å si talløse, varianter og allianser den opptrer i. Jeg har en nær relasjon til mitt objekt. Det har vi alle, om enn ikke så bevisst. Mitt liv som forsker har i stor grad dreid seg om C, i alt fra cellekjernens indre til det store kretsløpet i økosystemene. Jeg kjenner mitt objekt både fra kjemiens og biologiens verden, og jeg har etter fattig evne forsøkt å bli klok på C’s mange partnere, livsfaser og talløse roller. Mest av alt ønsker jeg allikevel å forstå karbonets rolle for klimaet i fortid og framtid.
C i alt Karbon er stjernestøv, dannet i stjerner ved fusjon av lettere grunnstoffer. Det finnes overalt i universet, men det er tynt spredd ut. Mindre enn fem promille av den samlede grunnstoffmassen i universet er karbon, og allikevel er karbon det fjerde hyppigst forekommende grunnstoffet. I jordas atmosfære er vektandelen i underkant av 0,4 promille, altså 400 ppm, mens det i jordskorpa er enda mindre, bare 200 ppm.3 Livet viser derimot er forkjærlighet for C. 10 på topp elementer på vektbasis i et menneske, som vil være omtrent det samme i en mus eller en elefant eller et hvilket som helst annet dyr, er følgende: oksygen (65 %), karbon (18 %), hydrogen (10 %), nitrogen (3 %), kal-
Karbon – en uautorisert biografi
13 sium (1,5 %), fosfor (1,0 %) kalium (0,35 %), svovel (0,25 %), natrium (0,15 %) og magnesium (0,05 %).4 Om jeg ser bort fra vannet som utgjør 57 prosent av meg, og der mye av oksygenet og en god del av hydrogenet befinner seg, er over 40 % av meg karbon. Karbon er involvert i så å si alt av kroppens maskineri og husholdning, og på mange vis kan kroppens budsjett enkelt gjøres opp ved regnestykket: Spist karbon minus ufordøyd karbon minus CO2 fra celleånding = netto vektøkning eller vekttap. Karbon er det sentrale grunnstoffet i de hovedgruppene av molekylene (DNA, proteiner, fett, sukkerarter) som utgjør alle levende organismer. Dyr inneholder altså omkring 40 % C, om vi ser bort fra vannet i kroppen, noe avhengig av forholdet mellom fett, karbohydrater og proteiner. Planter inneholder noe mer C, ikke minst trær med sitt betydelige innhold av cellulose og lignin. Plantene har også sørget for at karbon har fått sin egen geologiske epoke. Den varte mellom 360 og 300 millioner år før nåtid, og har fått navn etter de store skogene som vokste fram i et varmt og fuktig klima. Steinkullet disse enorme skogene etterlot seg som en arv, akkumulert gjennom 60 millioner år, er opphavet til karbon – både som geologisk epoke og på annet vis. Den langt senere perioden kritt, som varte fra 145 til 65 millioner år før nåtid, er for øvrig også karakterisert ved sine karbonavleiringer, men da karbon som kalsiumkarbonat, CaCO35. Her har C alliert seg med ett kalsiumatom og tre oksygenatomer, skjønt de som har sørget for denne alliansen er milliarder på milliarder av mikroskopiske, kalkdannende alger. Vi skal høre mer om disse. Noen hundre millioner år er imidlertid ingen alder for de karbonatomene som befinner seg i kull og kritt. Da universet oppsto for 14 milliarder år siden, fødte det i utgangspunktet bare de tre letteste elementene, hydrogen, helium og litium. Noe forenklet kan vi si at disse var byggestei-
C i alt
14 nene for de tyngre elementene – som karbon som for øvrig kommer på fjerdeplass over universets vanligste grunnstoff (vektmessig), etter hydrogen, helium og oksygen. C nyter en umåtelig popularitet blant talløse potensielle partnere i det periodiske system, og har kortvarige eller langvarige affærer med et stort antall andre atomer – en eller flere om gangen. Karbonatomets popularitet hos andre grunnstoffer skyldes et usedvanlig talent for kjemiske bindinger. Nesten alle føler en dragning mot C, mye på grunn av dets seks elektroner og seks protoner. Til dette kommer også seks nøytroner, og disse seks nøytronene og seks protonene er det som gir karbon en atom-
-
+ + ++
6 protoner + 6 nøytroner
-
Karbonatom
+
elektron proton nøytron
Figur 1. Karbonatomets popularitet kommer i stor grad av dets seks elektroner, mens atomvekten på 12 skyldes de seks nøytroner og seks protoner.
Karbon – en uautorisert biografi
15 vekt på 12. Vekten på elektronene blir bagatellmessig i denne sammenheng, men desto viktigere i andre sammenhenger. Siden to av elektronene er gjemt bort i det indre elektronskall, er det de fire gjenværende i det ytre skallet som søker kontakt med omverdenen, og det gjør de med stor suksess. Det finnes tre hovedformer av rent karbon i naturen: grafitt, diamant og fulleren, der C’ene har nok med seg selv og har alliert seg på vidt forskjellig vis til hverandre, men til gjengjeld er ikke C kresent når det gjelder å knytte vennskapsbånd med andre atomer. Et av favorittforholdene er trekantforholdet med to oksygenatomer. CO2 gjør C til livets atom siden det er grunnlaget for nesten alt liv, men det er også et problem at C viser en usedvanlig trofasthet i dette forholdet og har en tendens til å bli værende der. Forbrenning bidrar mer enn noe til å sveise dem sammen, mens fotosyntesens intrikate maskineri makter å skille dette trekløveret. Balansen mellom disse prosessene er i dag så kraftig forskjøvet at CO2 hoper seg opp i atmosfæren, og nettopp derfor er C’s kjærlighet til O et forhold som angår hele verden. Karbonet er vesentlig eldre enn jorda (som bare er fire milliarder år), men det er yngre enn universet. Det har allikevel sirkulert inn og ut av stjerner og kjemiske forbindelser i milliarder av år før det tok plass i de første bakterier, i trær, dinosaurer, deg og meg. Selv noen hundre millioner av år ute av sirkulasjon i form av kull, olje eller gass betyr ikke nevneverdig i et karbonatoms livsløp fra evighet til evighet. Men hvor lenge har vi kjent til karbon? Når det gjelder vitenskapelige oppdagelser, er det blitt en bekvemmelig refleks alltid å vise tilbake til «de gamle grekerne» som begynnelsen til alle erkjennelser. Når det gjelder C kan vi trygt gå lenger tilbake. Det skulle riktignok ta en stor del av menneskets historie før vi kom dit hen at forbrenning kunne forstås og forklares fysisk og kjemisk, men helt siden
C i alt
16 vi begynte å undre oss over ildens magiske, og potensielt ødeleggende kraft i en disig forhistorie da vi formodentlig lusket rundt på savannen med en treklubbe, var trekullet kjent og i noen grad benyttet. (Selve betegnelsen karbon er for øvrig latin for brent trevirke – carbo.) I en tidlig kategorisering av egenskaper ved naturen var det åpenbart at ting i naturen kunne deles i det som brant, som tre, og det som ikke brant, slik som stein og sand. Motstykket til ild ble rimeligvis vann, som var ildens fiende. Lite ante man da at det som næret ilden og det som slukket ilden i stor grad besto av oksygen, eller at sluttproduktet av det som brant i stor grad var CO2. At reaksjonen som gjorde at bålet ga oss varme fra utsiden prinsipielt var den samme prosessen som kroppen benyttet til å gi oss energi og liv på innsiden ville vært oppsiktsvekkende, trolig helt ubegripelig. I begge tilfeller er det solenergi oppmagasinert av planter til energilagre som frigjøres med CO2 som sluttprodukt. Ilden selv er jo eld(!)gammel, og det er også leirbålet som trolig er like gammelt som våre forfedres evne til oppreist gange. Det å sitte ved leirbålet, helst med utsyn, helst med ryggdekning og aller helst ved et vann, er et ritual som sitter i ryggmargen. Når det ved slike steder nesten alltid er en steinsatt ring fylt av aske, markerer det noe av den ubrutte, kulturelle linje fra vår egen arts tilblivelse og fram til i dag. Det er ikke godt å si om våre forfedre ved bålet i noen grad undret seg på hvordan et kaldt trestykke plutselig kunne omdannes til intens varme og siden aske. Trolig gjorde de det, i alle fall noen i kretsen omkring bålet. Mennesket har alltid vært besatt av å finne årsakssammenhenger, men selv om ilden har vært sentral i store deler av vår forhistorie, både som venn og fiende, forble det et mysterium hva ild egentlig var, og hva som kunne skape varme fra kulde. Ild og forbrenning er avgjørende ikke bare for å koble C til O, men for hele karbonkretsløpet og vekslingene mellom hovedtypene av C. Il-
Karbon – en uautorisert biografi
17 den har også vært essensiell for vår egen forbrenning og vår egen evolusjon.6 Den menneskelige hjerne har gjennomgått en bemerkelsesverdig rask utvikling både i størrelse og ytelse. Vår nærmeste nålevende slektning, sjimpansen, har et hjernevolum mellom 300–500 cm3, og vår større, men noe fjernere slektning gorillaen, varierer mellom 400 og 700 cm3. Vår tidlige stamfar Homo habilis hadde et hjernevolum omtrent som gorillaens for 1,7 millioner år siden, men så tok det av. Allerede for 700 000 år siden nærmet Homo erectus seg 1000 cm3, mens både Homo neanderthaliensis og Homo sapiens nådde et maksimalvolum på omkring 1500 cm3. Siden har det flatet ut, sågar avtatt litt, og neandertaleren lå faktisk noe over oss i hjernevolum. Nå avgjør ikke volumet alt, vi har også en påfallende høy tetthet av nevroner, god isolasjon omkring synapser samt moderne hjerneavsnitt som pannelappene hvor mye av jeg-følelsen, evnen til abstrakt refleksjon og etiske vurderinger befinner seg. Denne formidable hjernekapasiteten har imidlertid sin pris i form av energi. Mer enn 20 % av energiforbruket vårt går til å dekke dette organet som tross alt utgjør beskjedne 2 % av kroppsvekten. I dag framstår ikke dette energisluket som noe problem for oss i vår velfødde del av verden, men det er en betydelig kostnad i andre deler av verden, og historisk har det vært en høy pris som allikevel åpenbart har vært verd å betale. Men hvor kommer leirbålet og karbonet inn i bildet? Svaret, hevder Richard Wrangham, ligger i tittelen på hans bok Catching fire. How cooking made us human.7 Trolig dro vi nytte av ilden allerede for over 100 000 år siden, og enda før det observerte våre forfedre at etter en savannebrann var det enkelt å sanke omkommet vilt, i tillegg var dette viltet også ferdig stekt og uendelig mye lettere å spise. Dette må ha gitt ideen om å bruke ilden mer strategisk til å jage eller brenne viltet inne,
C i alt
18 og siden alle dyr fryktet ilden, kunne en brennende grein holde en ellers fryktinngytende løve på avstand. Ilden gikk fra å være fiende til venn. Steking, og etter hvert koking, var dessuten en utmerket måte for å drepe parasitter og bakterier på og i maten. Ilden forandrer ikke bare matens kjemi, mens også dens og vår biologi. Stekt og kokt mat er ikke bare lettere å tygge, og har dermed overflødiggjort en massiv tyggemuskulatur og et massivt kjeveparti, og den er også lettere å fordøye. Det er et slit å få i seg nok energi ved rå mat, og mens andre primater må bruke dagen til å få i seg 20–30 % av sin egen kroppsvekt for å dekke energibehovet, klarer vi oss med 5 %. Matvarer som hvete, ris og poteter som er praktisk talt ufordøyelige for oss i rå tilstand, kunne bli sentrale komponenter i vårt kosthold. Ilden var dermed trolig et avgjørende skritt på veien til det moderne mennesket og vårt herredømme over naturen – i alle fall deler av den. Ikke bare kunne vi skaffe nok energi til å holde oss med en stor hjerne og klare oss med et enklere tarmsystem, vi fikk også frigjort tid til å dyrke de sosiale relasjoner (en annen bidragsyter til stor hjerne), løse praktiske problemer, og undre oss på hvordan ting kunne brenne. Kanskje satt det allerede for 50 000 år siden en ungdom ved det utbrente bålet som, etter at resten av gruppen hadde sovnet, mette av villsvinstek, spekulerte på hvor veden tok veien. Alt som var tilbake var noen svartsvidde rester og litt aske. Kanskje undret han seg på hvorfor fingrene ble så svarte i berøring med det som ilden hadde etterlatt. Kanskje strøk han seg prøvende over armen, og laget noen streker på en stein. Kanskje var det også etter en filosofisk stund ved leirbålet at en av de tidlige europeerne tok opp et kullstykke fra bålplassen og risset inn den første stiliserte mammut på huleveggen i ren takknemlighet over ilden og livet.
Karbon – en uautorisert biografi