Panamas isotop: Ut ur den djupa jorden

Som datum i den geologiska historien är bildandet av den smala landbrygga som förenar Sydamerika och Nordamerika ett viktigt datum. Mer än en gång under de senaste 100 miljoner åren har de två stora landmassorna separerats av djupa havsvatten. Det smala avsnitt av Centralamerika som nu förenar dem – som smalast längs Panamas isthmus – förändrade inte bara världskartan, utan också oceanernas cirkulation, den biologiska evolutionens förlopp och förmodligen det globala klimatet. Dagens version av landtungan, som är en plågsam produkt av olika krafter, formades troligen av vulkanism och rörelser av tektoniska plattor för någonstans mellan 15 miljoner och 3 miljoner år sedan.

Cornelia Class, geokemist vid Lamont-Doherty Earth Observatory vid Columbia University, och Esteban Gazel, en adjungerad forskare vid Lamont som nu är baserad vid Virginia Polytechnic Institute, undersöker en av de mest mystiska krafter som verkar på denna naturliga byggarbetsplats: Galápagosplumpen.Plymen är en långvarig varm uppströmning av material från den djupa jorden som smälter nära ytan och som har bildat en rad vulkaner, både under vattnet och som öar i havet. Den fortfarande aktiva plymen kommer från jordens mantel, dussintals kilometer ner, och liknar de heta magmafläckar som sipprar fram under Hawaii och Yellowstone. Den tros ha börjat med enorma lavautgjutningar för cirka 100 miljoner år sedan under det som nu är Karibien, men har sedan dess, främst på grund av de tektoniska plattornas rörelser ovanför, vandrat långt söderut och västerut i Stilla havet, till sin nuvarande aktiva plats under Galápagosöarna, cirka 600 mil därifrån. Gazel och Class försöker hjälpa till att reda ut dess livshistoria och dess roll i skapandet av landbryggan. Vanligtvis är sådana stenar begravda långt under ytan eller ligger djupt ner på havsbotten. Här ligger de på mer eller mindre torr mark och erbjuder ett ovanligt fönster till processerna i den djupa jorden.

Under hösten 2012 letade Class och Gazel efter stenar som skapats av plymen på Panamas Azuero-halvö, som skjuter ut i Stilla havet. Gazel, som växte upp i angränsande Costa Rica (där det finns identiska stenar), har specialiserat sig på att studera denna region. Han är lika hemma när han diskuterar smältfraktioneringskemi som när han går runt med en 8-kilos slägga slängd över axeln och letar efter stenblock som han kan slå sönder. Class, en geokemist som ursprungligen kommer från Tyskland, är expert på mantelkemi. Hon har arbetat med stenar från Östafrika, Antarktis och Atlantens botten. ”Folk försöker ofta förstå saker som ligger långt borta, till exempel hur stjärnorna bildas”, säger Class. ”Egentligen borde vi titta mycket närmare hemmet. Här försöker vi förstå vad som finns under oss. Hur har jorden själv utvecklats?”

Den i stort sett obebodda västra delen av Azuerohalvön är svår för geologerna. Dess branta kullar är omslutna av tjock röd jord och fuktiga skogar och betesmarker; stenar syns sällan, utom i vissa bäckbäddar eller längs kusten, där kraftig erosion har skurit bort vegetation och jord. Det är först nyligen som en enda liten asfalterad väg har drivits en bit längs kusten, så för att arbeta i inlandet måste man ta sig fram genom leriga stigar, ta sig över bäckar och fastna i de gigantiska regnskurar som sveper in varje eftermiddag under regnperioden. Längs själva kusten är de bästa forskningsplatserna havsklippor, uddar, fristående öar och grushögar som störtar direkt ner i det farligt skvalpande havet. För att komma åt dessa anlitar Gazel och Class en lokal fiskare som kör sin båt så nära som han vågar. Sedan kastar de sig över sidan med släggan och annan utrustning och simmar fram genom vågorna. Om de har tur finns det en liten strand att landa på, annars måste de se upp så att inte vågorna slår mot klipporna. Efter att ha slagit ut prover simmar de tillbaka till båten, tyngda av både sina verktyg och stenarna. Som tur är är Gazel och Class starka simmare – och de hajar och krokodiler som ibland hemsöker dessa vatten verkar inte finnas i närheten.

Rockarna i denna del av Panama är en komplicerad blandning som representerar isthmusens komplexa historia. Från deras kraftigt vittrade yttre är det svårt att skilja den ena sorten från den andra. Det är bara genom att bryta upp dem som Gazel och Class kan avgöra om de har hittat sitt stenbrott. Detta är picrit – en typ av magmatisk sten som kristalliseras när magma från manteln stiger uppåt. Den bildas vanligtvis på havsbotten och innehåller gnistrande gulgröna kristaller av olivin, ett typiskt mineral från manteln som inte syns i stenar som bildats närmare ytan. Gazel och hans doktorand Jarek Trela, som letar sig fram genom högar av rundade stenblock som fångar i en fängelsehåla, svänger släden mot stenblock som ser ut att vara sannolika, tills en kant bryts av. Om de har tur ligger de avslöjande kristallerna på insidan, och sedan krossar de stenen i mindre bitar. Class använder en mindre geologihammare för att rensa bort de vittrade ytterkanterna från de knytnävsstora exemplaren, innan han lägger dem i säckar.

Geologer tror att Galápagosplymen blev aktiv för mer än 100 miljoner år sedan under det som nu är en stor del av Centralamerika. För ungefär 75 miljoner år sedan – strax före dinosauriernas tidsålder – bidrog stora lavautgjutningar från plymen till att bilda en tidigare version av landbryggan. Tektoniska plattor tryckte också på varandra och tryckte upp delar av havsbotten ur vattnet. Vid någon tidpunkt förvandlade de kombinerade processerna havet till sumpmarker, sedan till en skärgård – och slutligen till torr mark. Amerika förenades. Varelser som tidigare varit isolerade på den ena eller andra kontinenten kunde vandra och blanda sig fram och tillbaka. Beviset kan idag ses i fossil som visar de evolutionära träden hos besläktade dinosaurier och tidiga maskar, ormar och däggdjur på platser som ligger så långt ifrån varandra som Utah och Argentina. Men denna första landbro tros ha brutits upp för omkring 50 miljoner eller 65 miljoner år sedan, när de fortsatta tektoniska rörelserna tog över den. (Det senare datumet stämmer ungefär överens med en gigantisk meteorit som slog ner utanför Mexiko och som dödade dinosaurierna; men om den på något sätt var relaterad till uppbrottet är okänt.)

För cirka 15 miljoner till 65 miljoner år sedan vandrade Galápagosplymen västerut i Stilla havet och bildade strängar av vulkaniska öar och undervattensvulkaner. Samtidigt rörde sig den tektoniska plattan i Stilla havet ovanför den tillbaka österut. När plattan rörde sig förde den med sig resterna av de vulkaner som bildats av plymen tillbaka till Centralamerika. Här kolliderade Stillahavsplattan långsamt med en separat platta som rörde sig in från det som nu är Karibien. När de motsatta plattorna möttes skruvades delar av dem uppåt, och en andra landbro började ta form. Några av de öar och undervattensberg som härstammade från Stillahavsplattan klistrades fast på den framväxande landmassan, som körsbär på en muffinskakaka. Det är de nu smuliga resterna av dessa resande vulkaniska berg som utgör många av halvöns kullar och havsklippor. Plymen fortsätter att bryta ut under de avlägsna Galápagosöarna (en del av Ecuador, inte Panama). Dess exakta form och dynamiken i de nuvarande utbrotten är fortfarande föremål för en del mysterier.

Tillbaka i forskarnas laboratorier vid Lamont-Doherty och Virginia Tech kommer kemiska analyser av de panamanska picriterna att hjälpa till att avslöja den tidpunkt, de temperaturer och andra förhållanden under vilka stenarna bildades. Forskarna hoppas att detta kommer att kasta ljus inte bara på bildandet av holmen, utan även på processer i den djupa jorden. Gazel och andra kollegor har arbetat med Galápagosplymen ett tag nu. Bland deras första upptäckter kan nämnas att sedan dinosauriernas tid tycks magman i plymen ha svalnat med cirka 200 grader F. Dessutom har storleken och hastigheten på utbrotten avtagit. Detta kan betyda, säger Gazel, att ”mantelplymer kan vara som människor; de blir gamla och dör”. Men den här, säger han, har en bit kvar innan den dör – troligen tiotals miljoner år.

När det gäller den nuvarande landbryggan föredrar Gazel den nuvarande teorin att den bildades i omgångar, och började som den tidigare, som en serie träsk, sund och öar, för kanske 15 miljoner år sedan. För kanske 8 miljoner år sedan höjde sig de rörliga havsbergen från havsbotten och kraschade in i de sammanväxande landmassorna. Han tror att det var dessa berg som slutligen stängde holmen helt och hållet och gjorde Panama och Costa Rica till Amerikas gångjärn. ”Utan dessa skulle vi inte ha haft någon landbro”, säger han. Det konventionellt accepterade datumet för den fullständiga stängningen är för cirka 3,5 miljoner år sedan, men Gazel tror att det kan ha skett ett par miljoner år tidigare. Detta är kontroversiellt; i en nyligen genomförd studie av andra forskare anges det till 13 till 15 miljoner år sedan.

Oavsett den exakta sekvensen och tidpunkten visar fossilerna att varelser som hade utvecklats isolerat i tiotals miljoner år i det separata Amerika började återigen flöda och utvecklas från norr till söder. Några av de första var sådana som kunde simma bra, eller åtminstone vada: tapirer, pekarier och elefantliknande Gomphotheres som rörde sig söderut, och jättelappar, eller Megatherium, som rörde sig norrut, varav vissa var så höga som 9 fot. När landbryggan fylldes ut blev trillingen av migranter en översvämning. Detta kulminerade för några miljoner år sedan med det så kallade Great American Biotic Interchange. Vid olika tidpunkter flödade det uppåt från Sydamerika och kom förfäderna till dagens nordamerikanska bältdjur, piggsvin och opossum, och nu sedan länge utdöda rovdjursfåglar utan flygförmåga som är tre meter höga. Från Nordamerika kom hjortar, mastodonter, kameler, tvättbjörnar, katter, hundar och gnagare av alla slag. Av okänd anledning var invasionen från norr mycket mer framgångsrik än den från söder. Som ett resultat ersattes många arter från söder av arter från norr – förfäderna till dagens jaguarer, lamor och annan karakteristisk sydamerikansk fauna.

Insjön förenade kontinenter, men den delade oceaner. När Atlanten och Stilla havet skiljdes åt tog marina varelser som t.ex. blötdjur på den grunda, varma karibiska sidan mycket olika evolutionära vägar från dem på den kallare, djupare Stilla havssidan. Även själva cirkulationen av havsvatten förändrades helt och hållet; före delningen flödade vattnet från öst till väst, från Atlanten till Stilla havet, men flödet var nu blockerat. Detta skapade en permanent gigantisk omväg i Atlanten – Golfströmmen – som nu trycker upp varmt vatten från tropikerna till kanten av Arktis. Transporten av denna värme ger nu norra Europa sitt vanligen varma klimat. Och eftersom värmen ökar avdunstningen har den förmodligen också ökat den nordliga nederbörden i form av snö. Vid olika tidpunkter i jordens omloppscykel har detta samlats till glaciärer och drivit in det norra halvklotet i den serie av stora istider som har inträffat under de senaste miljonerna av år. På Stillahavssidan förändrades också vädermönstren, med djupa vatten längs de västra kusterna av båda kontinenterna som ständigt stiger upp, och dominans av det cykliska El Niño-mönstret, där den östra havsytan växelvis värms upp och kyls ned. El Niño styr nu direkt eller indirekt nederbörden, och därmed jordbruket, på decennier i stora delar av Asien och båda Amerika.

”Stenarna, vårt studieområde, är så smalt”, säger Gazel. ”Men det hjälper oss också att förstå mycket om jordens biologi och klimat.”

Panamas isotop är inte unik. På andra håll har andra landbroar kommit och gått. Berings sund, som för närvarande delar Alaska och Sibirien, har periodvis varit Berings landbro, när istider låste in mycket av jordens vatten i is och sänkte havsnivåerna. Det var kanske den väg genom vilken människor och andra varelser tog sig in i Amerika. Under perioder med lägre havsnivåer har andra nu försvunna broar en gång förbundit Storbritannien med det europeiska fastlandet, Sri Lanka med Indien och delar av Indonesien och Australien med Asien. Egyptens Sinaihalvö förbinder nu Afrika och Eurasien, men det har den inte alltid gjort; dessa kontinenter var en gång åtskilda, och kan bli det igen en dag.

Panama förblir en korsväg på alla sätt och vis. När spanjorerna kom i början av 1500-talet såg de snabbt att det var en smal punkt mellan två stora hav och använde det som språngbräda för att invadera västra Amerika. De talade om en kanal så tidigt som 1524, men kom aldrig att genomföra den. Efter den kaliforniska guldfyndigheten 1849 förde en järnväg över isthmusen en ström av migranter västerut. Fransmännen försökte bygga en kanal på 1880-talet, men stoppades av malaria och jordskred. När Förenta staterna tog över blev den 45 mil långa Panamakanalen färdig 1914, som fortfarande är en central handelsväg. Som en gångpunkt mellan de två stora kontinenterna har Panama (liksom Costa Rica) en enorm biologisk mångfald: hundratals arter av reptiler och groddjur, minst 950 fågelarter och legendariska årliga flyttningar av fåglar och havssköldpaddor på Azuero-halvön med omnejd.

Panamakanalen var en välsignelse för geologer, som fick många av sina ursprungliga insikter om regionens historia från de stenar som framkom vid utgrävningarna. I dag grävs en ännu större kanal bredvid, och forskarna är på väg dit igen. För tillfället föredrar Gazel och Class dock den vildare och mer avlägsna Azuero-halvön. ”Det är viktigt för oss att komma hit för att försöka läsa av stenarna”, säger Gazel. ”Jag tycker också om naturen. Det finns inte så många platser kvar där man kan komma bort från civilisationen på det här sättet.”

Se ett bildspel av fältforskningen

Se en video av fältforskningen