Dag O. Hessen C- karbon

Karbon

© CAPPELEN DAMM AS 2015Forfatter 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 PlatouSats: Type-It AS, Trondheim 2015

Trykk og innbinding: Livonia Print, Latvia 2015Satt 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 tillattgjennom 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 9C i alt 12Ilden forklares 20Forkledningens mester: det myke, harde og runde 28Nylonstrømpenes etterkommere 37C på hjul 43Plastic fantastic 46Synthia som karbonfabrikk 52Bygge og brenne – C i livslikningen 55Fra C3 til C4 – og verdens viktigste protein 59Atomfysikkens løsning på fotosyntesen 66Fotosyntesen i revers 69Gode naboer 72C og 4H – et hett partnerskap 80Metan – også til nytte 84Arkene 87

Del II C i kretsløp 95

Keelings kurve 95En svenske forut for sin tid 102Ett eller mange kretsløp? 107Pyramider, kjeder og nett 110Karbondronningen Emiliania 116Borealis 122Paradise lost 132Det lange C-kretsløpet 138Antropocen 145Gaia og tilbakekoblingene 154Surere og blåere 162Metanbomber 169Mellom snøball og helvete 174Oksygenets evolusjon 184Nitrogen og fosfor – de STORE kretsløpsendringene 192

Del III Fotavtrykket 203

Paradise lost II 203Skostørrelsen 207How bad are bananas? 211Petroholismens abstinenser 219Til slutt 226Register 251

6

Karbon – en uautorisert biografi

Det er til tider slik at det som er oss nærmest, og det som er viktigst foross, er det vi vet minst om. Hva er viktigst for liv slik vi kjenner det?Vann? Ja, utvilsomt. Både hydrogen, oksygen og deres livgivende alliansei H2O er sterke kandidater. Fosfor? Jo visst, uten fosfor intet DNA, ingengener, intet liv. Karbon blir allikevel elementet som her får sin uautori-serte biografi. Det er gode grunner til det. Karbon er livets sentrale ele-ment, og det meste av livsprosessene i oss og omkring oss involverer kar-bon i en eller annen form. C i rent form kan være både blyantens grafittog diamant. Samtidig er C utgangspunkt også for det meste av det syn-tetiske som er grunnlaget for det moderne liv, men grensen mellom detnaturlige 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 detå brenne. C er en førsteelsker blant atomene, og av de mest intense ogskjebnesvangre forhold C går inn i er trekanten med to O-er. CO2 er li-vets og dødens gass, og for å forstå klimaets utvikling i fortid og framtidmå vi også forstå karbonets runddans og hvordan vi påvirker den. Pla-netens framtid avhenger av vår omgang med C, og det er derfor en vel-begrunnet titt vi nå skal ta i karbonets liv.

Hvor begynner og hvor slutter en sirkel? Det er ikke godt å si hvor det

er mest naturlig å hoppe inn i karbonets kretsløp, som jo er en endeløsrekke av små og store, sammenkoblede kretsløp. Jeg skal innrømme atjeg fant det vanskelig å finne ut hvor jeg best skulle smette inn for å følgeC i dets evige runddans uten å følge de samme spor flere ganger. Allike-vel, uansett hvilke spor man følger, leder de alle til slutt fram til det storespørsmål om C og klodens framtid. Deler av denne teksten vil nok fa-vorisere realfaginteresserte. Det er imidlertid lov og fullt mulig å hoppeover disse partiene uten å miste det store bildet.

Stor takk til Henrik Svensen for gjennomlesning og kommentarer ogtil forlaget ved Erik Møller Solheim for støtte og gode innspill gjennomhele prosessen, og Helge Vold for grundig gjennomlesning og retting.Boken er skrevet med støtte fra Norsk faglitterær forfatter- og overset-terforening, og har dratt av Forskningsrådets prosjekt Effects of Climatechange on boreal lake ecosystems.

Denne boken er tilegnet min far, den beste jeg kunne hatt, som gikkbort idet jeg satte sluttstrek.

Oslo i mai 2015Dag O. Hessen

8


En personlig relasjon til CDet drypper tunge dråper fra trærne omkring, og regnet plasker nedpå vannet der ute. Det sildrer også ned på en presenning spent ut mel-lom trærne. Under presenningen sitter tre personer krumbøyd over mik-roskop, pipetter, små plastbokser, filtreringsutstyr og annet som hørerhjemme på en lab. Tåken ligger tett omkring oss, det er midnatt, mørkt,og vi utfører vårt arbeid knestående, i lyset fra hodelykter. Prøvene puttesned i de små plastflaskene som fylles med en litt seig, gjennomsiktigvæske fra en metallkanne med dispenser. Lokket skrus tett på, prøvenemerkes og settes i et stativ. Hver 4. time ror to av oss i en gebrekkelig li-ten båt ut på vannet, henter forskjellige prøver opp fra seks store poserforankret 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 forstandomtåket ved bredden av vannet og ser solstrålene trenge gjennom mor-gendisen, som er i ferd med å lette over vannet. To øyenstikkere patrul-jerer over vannliljene langs bredden. Omkring vannet står skogen tett oggrønn. Med ett får jeg en fornemmelse av naturens innpust og utpustomkring meg. Alt syder av liv, og det syder av karbon. Alt unntatt vann-speil og himmel er nyanser av grønt; milliarder av kloroplaster. Karbon,

i form av CO2, pustes ut og inn av en uendelighet av spalteåpninger iløv og nåler før det transporteres til kloroplastene. Her foregår verdensviktigste kjemiske reaksjon hvor gassen nesten mirakuløst blir transfor-mert til organisk karbon i form av karbohydrater som sukker, stivelse ogcellulose. Og som en bonus, en formidabel bonus, gir samme reaksjonopphav til det oksygen som den andre halvdelen av livet er avhengig av.Og dette karbonet som plantene binder opp, det går sin gang i økosyste-mene, fra evighet til evighet.

Karbonet er kjemiens potet, det inngår i nesten alle kroppens mole-kyler og bestanddeler, ja, når sant skal sies er C’en med i nesten alt – i deutroligste varianter. I all sin alminnelighet er det en uunnværlig C. Jeggjør mine forsøk i store innhegninger av plast ute på sjøen, og alt jeg kankomme på av utstyr er karbonpolymerer: pipettene, beholderne, stati-vene de står i, duken over hodet, ja, selv klærne. Er det noe her som ikkeer karbon? Og mitt eget C som jeg har til låns, noe er bare på snarturinnom, noe skal følge meg hele livet, det har sirkulert i plantene, bakte-riene, dyrene, mineralene i milliarder av år, og skal fortsette å gjøre deti nye milliarder år etter meg. Evig liv vil alltid være en utopi, men somdeltaker i karbonkretsløpet har vi alle en aksje i evigheten.

Tanken på karbonets kretsløp, og min egen, om enn ytterst kortvarigeog beskjedne delaktighet i det, gir en følelse av tilhørighet under evighe-tens perspektiv der ved bredden. Carl von Linné mente at vi, altså men-nesket, var plassert her på jorda som tolkere av et guddommelig skaper-verk.1 Fremst i rekken av tolkere av den gudommelig designede natur såhan ubeskjedent nok seg selv. Vi tre her ved en innsjø i skogen er i all be-skjedenhet ute i et mindre ærend, men allikevel et ærend som i ettertidskulle vise seg mer betydningsfullt enn vi ante: Vi er her for å forstå merav karbonets evige runddans.

De seks kjempeposene i vannet er tilsatt ørsmå mengder av en spesiell

10


form for karbon, nemlig radioaktivt karbon, isotopen 14C som i mot-setning til normalutgaven 12C inneholder seks protoner og åtte nøytro-ner (6 + 8 = 14). Dette tilsatt som 14CO2 gjør at vi kan følge hvordan Ctas opp i algene, vannets encellete planter, inn i bakteriene, inn i dyre-plankton, og ut av systemet igjen som 14CO2. Det radioaktive karboneti våre prøver, i de små plastflaskene, gir fra seg elektroner som gir et litelyssignal hver gang det fanges opp i den tyktflytende væsken. Disse glim-tene 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 etterpåvet litt mer. Natten under presenningen, sammen med prøver fra tallrikeandre dager, netter og et ukjent antall analyser, statistiske behandlingerog skrivearbeid ble en sentral del av min avhandling om karbonets uran-sakelige 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 forsvinnerfor alvor. Før prøvene skal gjennom scintillasjonstelleren skal jeg bevilgemeg noen få timers søvn. Å se resultatene tikke ut av måleinstrumenteneer en av forskerens sære gleder som man bare unntaksvis lykkes med åformidle til omverdenen. Noen ganger kreves bare et døgn for å se ompunktene på kurven svarer til forventningene. Andre ganger kan det taår, og krever en ganske usedvanlig tålmodighet som dagens forskere sjel-den har, eller kan bevilge seg. Men Charles David Keeling hadde det somskulle til. I 1957 insisterte han på noe så absurd som å plassere et måle-instrument på toppen av fjellet Mauna Loa på Hawaii.2 Det ga opphavtil en figur som nok må sies å ha bidratt til større oppmerksomhet om-kring C enn min egen, selv om de i all beskjedenhet må sies å tilhøresamme historie – historien om C. Takket være sin usedvanlige kombi-nasjon av nøyaktighet og tålmodighet kunne Keeling til sin forbauselsekonstatere at CO2-konsentrasjonene økte år for år. Det kunne bare bety

11

C i alt

at det var en grunnleggende ubalanse i karbonkretsløpet – det ble slup-pet ut mer C enn det som ble tatt opp. Det livgivende CO2 hadde ogsåen mørkere side. Etter hvert ble det klart at konsentrasjonen av metan iatmosfæren også gjennomgikk samme urovekkende økning. Karbon, li-vets element, er blitt vår største trussel. Vi skal behørig vende tilbake tilkarbonsyklusen(e), Keeling selv, hans etter hvert berømte kurve og hvaden vil innebære, men la oss først se nærmere på hovedaktøren i dennefortellingen og de tallrike, for ikke å si talløse, varianter og allianser denopptrer i.

Jeg har en nær relasjon til mitt objekt. Det har vi alle, om enn ikke såbevisst. Mitt liv som forsker har i stor grad dreid seg om C, i alt fra cel-lekjernens indre til det store kretsløpet i økosystemene. Jeg kjenner mittobjekt både fra kjemiens og biologiens verden, og jeg har etter fattig evneforsøkt å bli klok på C’s mange partnere, livsfaser og talløse roller. Mestav alt ønsker jeg allikevel å forstå karbonets rolle for klimaet i fortid ogframtid.

C i altKarbon er stjernestøv, dannet i stjerner ved fusjon av lettere grunnstof-fer. Det finnes overalt i universet, men det er tynt spredd ut. Mindre ennfem 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 400ppm, mens det i jordskorpa er enda mindre, bare 200 ppm.3

Livet viser derimot er forkjærlighet for C. 10 på topp elementer påvektbasis i et menneske, som vil være omtrent det samme i en museller en elefant eller et hvilket som helst annet dyr, er følgende: ok-sygen (65 %), karbon (18 %), hydrogen (10 %), nitrogen (3 %), kal-

12


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 ut-gjør 57 prosent av meg, og der mye av oksygenet og en god del av hyd-rogenet befinner seg, er over 40 % av meg karbon. Karbon er involverti så å si alt av kroppens maskineri og husholdning, og på mange viskan kroppens budsjett enkelt gjøres opp ved regnestykket: Spist karbonminus ufordøyd karbon minus CO2 fra celleånding = netto vektøkningeller vekttap.

Karbon er det sentrale grunnstoffet i de hovedgruppene av moleky-lene (DNA, proteiner, fett, sukkerarter) som utgjør alle levende organis-mer. Dyr inneholder altså omkring 40 % C, om vi ser bort fra vannet ikroppen, noe avhengig av forholdet mellom fett, karbohydrater og pro-teiner. Planter inneholder noe mer C, ikke minst trær med sitt betyde-lige innhold av cellulose og lignin. Plantene har også sørget for at karbonhar fått sin egen geologiske epoke. Den varte mellom 360 og 300 millio-ner år før nåtid, og har fått navn etter de store skogene som vokste frami et varmt og fuktig klima. Steinkullet disse enorme skogene etterlot segsom en arv, akkumulert gjennom 60 millioner år, er opphavet til karbon– både som geologisk epoke og på annet vis. Den langt senere periodenkritt, som varte fra 145 til 65 millioner år før nåtid, er for øvrig også ka-rakterisert ved sine karbonavleiringer, men da karbon som kalsiumkar-bonat, CaCO3

5. Her har C alliert seg med ett kalsiumatom og tre oksy-genatomer, skjønt de som har sørget for denne alliansen er milliarder påmilliarder av mikroskopiske, kalkdannende alger. Vi skal høre mer omdisse.

Noen hundre millioner år er imidlertid ingen alder for de karbonato-mene som befinner seg i kull og kritt. Da universet oppsto for 14 milliar-der år siden, fødte det i utgangspunktet bare de tre letteste elementene,hydrogen, helium og litium. Noe forenklet kan vi si at disse var byggestei-

13

C i alt

nene for de tyngre elementene – som karbon som for øvrig kommer påfjerdeplass over universets vanligste grunnstoff (vektmessig), etter hyd-rogen, helium og oksygen.

C nyter en umåtelig popularitet blant talløse potensielle partnere i detperiodiske system, og har kortvarige eller langvarige affærer med et stortantall andre atomer – en eller flere om gangen. Karbonatomets populari-tet hos andre grunnstoffer skyldes et usedvanlig talent for kjemiske bin-dinger. Nesten alle føler en dragning mot C, mye på grunn av dets sekselektroner og seks protoner. Til dette kommer også seks nøytroner, ogdisse seks nøytronene og seks protonene er det som gir karbon en atom-

+

+

++

+-

-

-

-

-

-

-

6 protoner+ 6 nøytroner

elektron

proton

nøytronKarbonatom

Figur 1. Karbonatomets popularitet kommer i stor grad av dets seks elektroner,mens atomvekten på 12 skyldes de seks nøytroner og seks protoner.

14


vekt på 12. Vekten på elektronene blir bagatellmessig i denne sammen-heng, men desto viktigere i andre sammenhenger. Siden to av elektro-nene er gjemt bort i det indre elektronskall, er det de fire gjenværende idet ytre skallet som søker kontakt med omverdenen, og det gjør de medstor suksess.

Det finnes tre hovedformer av rent karbon i naturen: grafitt, diamantog fulleren, der C’ene har nok med seg selv og har alliert seg på vidt for-skjellig vis til hverandre, men til gjengjeld er ikke C kresent når det gjel-der å knytte vennskapsbånd med andre atomer. Et av favorittforholdeneer trekantforholdet med to oksygenatomer. CO2 gjør C til livets atom si-den det er grunnlaget for nesten alt liv, men det er også et problem at Cviser en usedvanlig trofasthet i dette forholdet og har en tendens til å bliværende 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 etforhold 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 avstjerner og kjemiske forbindelser i milliarder av år før det tok plass i deførste bakterier, i trær, dinosaurer, deg og meg. Selv noen hundre millio-ner av år ute av sirkulasjon i form av kull, olje eller gass betyr ikke nev-neverdig i et karbonatoms livsløp fra evighet til evighet. Men hvor lengehar vi kjent til karbon?

Når det gjelder vitenskapelige oppdagelser, er det blitt en bekvemme-lig refleks alltid å vise tilbake til «de gamle grekerne» som begynnelsentil alle erkjennelser. Når det gjelder C kan vi trygt gå lenger tilbake. Detskulle riktignok ta en stor del av menneskets historie før vi kom dit hen atforbrenning kunne forstås og forklares fysisk og kjemisk, men helt siden

15

C i alt

vi begynte å undre oss over ildens magiske, og potensielt ødeleggendekraft i en disig forhistorie da vi formodentlig lusket rundt på savannenmed en treklubbe, var trekullet kjent og i noen grad benyttet. (Selve be-tegnelsen karbon er for øvrig latin for brent trevirke – carbo.) I en tidligkategorisering av egenskaper ved naturen var det åpenbart at ting i na-turen kunne deles i det som brant, som tre, og det som ikke brant, sliksom stein og sand. Motstykket til ild ble rimeligvis vann, som var ildensfiende. Lite ante man da at det som næret ilden og det som slukket ilden istor grad besto av oksygen, eller at sluttproduktet av det som brant i storgrad var CO2.

At reaksjonen som gjorde at bålet ga oss varme fra utsiden prinsipieltvar den samme prosessen som kroppen benyttet til å gi oss energi og livpå innsiden ville vært oppsiktsvekkende, trolig helt ubegripelig. I beggetilfeller er det solenergi oppmagasinert av planter til energilagre som fri-gjøres med CO2 som sluttprodukt. Ilden selv er jo eld(!)gammel, og deter også leirbålet som trolig er like gammelt som våre forfedres evne tiloppreist gange. Det å sitte ved leirbålet, helst med utsyn, helst med rygg-dekning 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, mar-kerer det noe av den ubrutte, kulturelle linje fra vår egen arts tilblivelseog fram til i dag. Det er ikke godt å si om våre forfedre ved bålet i noengrad undret seg på hvordan et kaldt trestykke plutselig kunne omdannestil intens varme og siden aske. Trolig gjorde de det, i alle fall noen i kret-sen omkring bålet. Mennesket har alltid vært besatt av å finne årsakssam-menhenger, men selv om ilden har vært sentral i store deler av vår forhis-torie, både som venn og fiende, forble det et mysterium hva ild egentligvar, og hva som kunne skape varme fra kulde.

Ild og forbrenning er avgjørende ikke bare for å koble C til O, menfor hele karbonkretsløpet og vekslingene mellom hovedtypene av C. Il-

16


den har også vært essensiell for vår egen forbrenning og vår egen evo-lusjon.6 Den menneskelige hjerne har gjennomgått en bemerkelsesver-dig rask utvikling både i størrelse og ytelse. Vår nærmeste nålevendeslektning, sjimpansen, har et hjernevolum mellom 300–500 cm3, og vårstørre, men noe fjernere slektning gorillaen, varierer mellom 400 og700 cm3. Vår tidlige stamfar Homo habilis hadde et hjernevolum om-trent som gorillaens for 1,7 millioner år siden, men så tok det av. Alle-rede for 700 000 år siden nærmet Homo erectus seg 1000 cm3, mens bådeHomo neanderthaliensis og Homo sapiens nådde et maksimalvolum påomkring 1500 cm3. Siden har det flatet ut, sågar avtatt litt, og neander-taleren lå faktisk noe over oss i hjernevolum. Nå avgjør ikke volumet alt,vi har også en påfallende høy tetthet av nevroner, god isolasjon omkringsynapser samt moderne hjerneavsnitt som pannelappene hvor mye avjeg-følelsen, evnen til abstrakt refleksjon og etiske vurderinger befinnerseg.

Denne formidable hjernekapasiteten har imidlertid sin pris i form avenergi. Mer enn 20 % av energiforbruket vårt går til å dekke dette orga-net som tross alt utgjør beskjedne 2 % av kroppsvekten. I dag framstårikke dette energisluket som noe problem for oss i vår velfødde del av ver-den, men det er en betydelig kostnad i andre deler av verden, og histo-risk har det vært en høy pris som allikevel åpenbart har vært verd å be-tale.

Men hvor kommer leirbålet og karbonet inn i bildet? Svaret, hev-der Richard Wrangham, ligger i tittelen på hans bok Catching fire. Howcooking made us human.7 Trolig dro vi nytte av ilden allerede for over100 000 år siden, og enda før det observerte våre forfedre at etter en sa-vannebrann var det enkelt å sanke omkommet vilt, i tillegg var dette vil-tet også ferdig stekt og uendelig mye lettere å spise. Dette må ha gittideen om å bruke ilden mer strategisk til å jage eller brenne viltet inne,

17

C i alt

og siden alle dyr fryktet ilden, kunne en brennende grein holde en ellersfryktinngytende løve på avstand. Ilden gikk fra å være fiende til venn.Steking, og etter hvert koking, var dessuten en utmerket måte for å drepeparasitter og bakterier på og i maten. Ilden forandrer ikke bare matenskjemi, mens også dens og vår biologi. Stekt og kokt mat er ikke bare let-tere å tygge, og har dermed overflødiggjort en massiv tyggemuskulaturog et massivt kjeveparti, og den er også lettere å fordøye. Det er et slit åfå i seg nok energi ved rå mat, og mens andre primater må bruke dagentil 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 prak-tisk talt ufordøyelige for oss i rå tilstand, kunne bli sentrale komponen-ter i vårt kosthold. Ilden var dermed trolig et avgjørende skritt på veientil det moderne mennesket og vårt herredømme over naturen – i alle falldeler av den. Ikke bare kunne vi skaffe nok energi til å holde oss med enstor hjerne og klare oss med et enklere tarmsystem, vi fikk også frigjorttid 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 ut-brente bålet som, etter at resten av gruppen hadde sovnet, mette av vill-svinstek, spekulerte på hvor veden tok veien. Alt som var tilbake var noensvartsvidde rester og litt aske. Kanskje undret han seg på hvorfor fingreneble så svarte i berøring med det som ilden hadde etterlatt. Kanskje strøkhan seg prøvende over armen, og laget noen streker på en stein. Kan-skje var det også etter en filosofisk stund ved leirbålet at en av de tidligeeuropeerne tok opp et kullstykke fra bålplassen og risset inn den førstestiliserte mammut på huleveggen i ren takknemlighet over ilden og li-vet.

18


Dag O. Hessen C- karbon

Documents

Transcript of Dag O. Hessen C- karbon