Saga tilrauna til að búa til steingervinga

Árið 1968 skrifaði Ryan W. Drum um tilraun sína til að „steinruna plöntuefni“ í tímaritinu Science. Þetta var fyrsta þekkta tilraunin þessarar gerðar:

Óvitaður um nokkurt áður samstillt átak til að steinruna eða steingerva plöntuefni, reyndi ég að steinruna trjágrein í rannsóknarstofu. (Silification of Betula Woody Tissue in vitro, Ryan W. Drum, Science, 12. júlí 1968, bls. 175).

Steingervingar gegna mikilvægu hlutverki í réttum skilningi manna á hinu liðna og það er forvitnilegt að tilraun til að steinruna (breyta í stein) lífrænt efni átti sér ekki stað fyrr en 1968. Af öllum þeim þekktum steingervingum eru steingervð tré allsráðandi: þessi kvars steinar finnast um allan heim og eru eftirverkan á fornum atburði. Nokkrum áratugum áður en Drum reyndi að steinruna, höfðu tæknifræðingar tekist að búa til kvars í umhverfi vaþrývarma í rannsóknarstofu, en ekki var tekið eftir neinum tengslum á milli kvars og steingervingum byggða á kvars. Tilraun Drums tók ekki tillit til þáttsins um háan þrýsting eða hátt hitastig, en hann fann nokkra mikilvægar kennistærðir steinruna:

Nokkrar birkigreinar voru settar í natríummetasilikat lausnir (5.000 til 10.000 hlutar af milljón) og leyft að standa í 12 til 24 klukkutíma, en þá voru þær þvegnar og skolaðar með ösku og krómsýru. Ópalgerður kísill var settur á innra yfirborð frumuveggjanna þannig að kísilafmyndun hinna mismunandi frumuhola mynduðust. Heilar greinar voru algengar… Þessi tækni býður upp á nýjan möguleika á að rannsaka grunnvef viðs og meðvitaða aðferð steinruna á tiltölulegan stuttum tíma inni í rannsóknarstofu. (Silification of Betula Woody Tissue in vitro, Ryan W. Drum, Science, 12. júlí 1968, bls. 175).

Drum, sem var ekki jarðfræðingur, vann við plöntudeild háskólans í Massachusetts, Amherst. Tilraunir hans sýndu þrjár megin staðreyndir um myndun steingervinga úr kísil:

1. Mikilvægi ofurmettaðs vatns.
2. Hinn stutti tími sem þarf til að steinruna.
3. Ópal myndast undir lágum þrýstingi og lágu hitastigi.

Rannsóknin fékk ekki mikla athygli vegna þess að vísindamenn töldu ekki að hún hefði notagildi á náttúrulegum viðburðum: Vatnsstraumar innihéldu ekki magn af uppleystum kísil sem næði 5.000-10.000 milljónarhluta og ópal steingervingar eru óalgengir í náttúrunni. Og fyrir öllu, þá skyggði viðmiðunin um jarðfræðilegan tíma milljóna ára yfir hvaða hugmynd sem er sem fjallaði um steinruna á stuttum tíma, eða nokkurra daga. Aðrir rannsakendur reyndu lengri tímabil (allt að einu ári), en þeir framleiddu ópal eða í mesta lagi smásæja kvars kristalla – ekkert nálægt þeim steingervðum trjám úr kísil sem finnast í náttúrunni.

Tíu árum síðar, árið 1978, bar Anne C. Sigleo úr deild lífrænni jarðefnafræði í háskólanum í Arizona saman náttúrleg steingervð tré við lignín úr trjám nútímans með því að hita bæði upp og bera saman gasútblæstrina. Sigleo efnagreindi gastegundirnar og tók eftir að steingervða tréð hafði „orðið fyrir mildum áhrifum hita.“ Það sem Sigleo meinti með mildum var í raun nokkuð heitt:

Grenilignín Brauns var hitaleyst og greint með GC-MS sem samanburð fyrir gögnin úr steingervða trénu. Fyrsta hitasundrunin við 300°C þrepið var CO2, H2O, etanól og própanól. Megin afurðin við 450°C var 4-metýl-2-metoxýfenól (metýl gvæjakól), en við 600°C voru hitasundranirnar svipaðar, bæði í samsetningu afurðarinnar og í hlutfallslegu magni og þeim úr steingervðu trénu. Niðurstöðurnar segja til um að steingervða tréð hafi orðið fyrir mildum áhrifum hita þar sem eter tengin rofnuðu og súrefnisleysi átti sér ásamt endurröðun upprunalegs trjáviðar í mjög stöðuga fjölliðu. (Silification of Betula Woody Tissue in vitro, Ryan W. Drum, Science, 12. júlí 1968, bls. 175).

Próf Sigleos sýndi að steingervð tré hafi eitt sinn orðið fyrir hita í allt að 450°C, vegna þess að losun beggja gerða (steingervða og ekki steingervða) var mismunandi þar til beitt var hæsta prófið með 600°C, sem framkallaði „svipaða“ losun. Þetta voru vissulega ekki „mild áhrif hita“ miðað við náttúrlegt umhverfi í dag, heldur leiddu athuganir hennar í ljós efri mörk vaþrývarma sem steingervð tré hafa orðið fyrir. Þó svo að hún hafi ekki gert sér grein fyrir marktækni uppgötvun sinnar, þá var þetta fyrsta tilraunin til að nota vaþrývarma hitastig.

Árið 1982 birtist ein af fyrstu jarðfræðilegum vísindagreinum um steingervð tré. Hún var eftir C. L. Stein og gefin út í Journal of Sedimentary Petrology:

Hingað til hafa fáar tilraunir verið gerðar til að rannsaka steindafræði steingervða trjáa á kerfisbundinn hátt. (Silica Recrystallization in Petrified Wood, C. L. Stein, Journal of Sedimentary Petrology, Vol. 52, No. 4, desember 1982, bls. 1277).

Reyndar hefur okkur ekki tekist að finna neinn steingervingafræðing sem hefur á virkan hátt rannsakað hvernig steingervingar eru myndaðir! Þetta kom ekki mjög á óvart vegna þess að steingervingafræðin virtist hafa lítinn áhuga á myndun steingervinga í rannsóknarstofum í sínum fræðum.

Stein lýsti hinni vinsælu kenningu sem sveif yfir vötnum síðan u.þ.b. 1970, sem hafði „kísilríka lausn“ sem framleiddi ópalgerðan steingerving, sem eftir „milljónir ára“ myndi einhvernveginn umbreytast í kvars:

Enn fremur hefur það verið lagt til að þessi ópalgerði kísill muni komast í betri kristallaskipan á tímabili margra milljóna ára og að lokum umbreytast í kvars. (Silica Recrystallization in Petrified Wood, C. L. Stein, Journal of Sedimentary Petrology, Vol. 52, No. 4, desember 1982, bls. 1279).

Því miður reiða þeir rannsakendur sem trúa ópal-í-kvars kenningunni á vísindafjarveruna úr gömlum tímum, vegna þess að það eru ekki til neinar sannanir byggðar á tilraunum. Fáfræði um grundvallarvöxt kristalla er ástæðan fyrir því hvers vegna jarðfræðingar og steingervingafræðingar í dag vita ekki hvernig steingervingar myndast. Skýringamyndin um ástand kísils (sjá mynd í færslu hér) sýnir að kísill breytist ekki í aðrar kristalbyggingar, nema ákveðnar eðlisfræðilegar breytur séu til staðar. Kröfurnar um hátt hitastig og háan þrýsting uppfyllist ekki í jarðskorpunni þar sem steingervð tré eru fundin í dag. Án þessara þátta getur tíminn ekki breytt kristalbyggingunni.

Stein reyndi að bera kennsl á jarðfræðilegar sannanir á ópal-kvars kenningunni með því að safna nokkrum sýnum af steingervðum trjám úr seti með ‚þekktan‘ aldur. Hann tók sýnin og muldi þau til að mæla kristalbygginguna í þeim samkvæmt hinum meinta jarðfræðilega aldur setsins. Eftir að hafa lesið kaflann um aldurslíkanið, sjáum við strax hvert þetta var að stefna. Stein setti niðurstöður sínar í skýringarmynd eftir aldri, en ‚yngstu‘ og ‚elstu‘ steingervðu trén sýndu kristöllun í sama mæli. Stein lauk mat sitt með eftirfarandi orðum:

Þess vegna eru þessar niðurstöður … áætlaðar að hafa takmarkað gildi. (Silica Recrystallization in Petrified Wood, C. L. Stein, Journal of Sedimentary Petrology, Vol. 52, No. 4, desember 1982, bls. 1278).

Þetta sýndi sig sem annað dæmi um hvernig jarðfræðilegur tími hefur afmyndað þeirri hugmynd um hvernig steinar raunverulega mynduðust.

Árið 1984 gáfu tveir ástralskir jarðfræðingar út aðra grein, Petrification of Wood by Silica Minerals (Steinruni trjáa með kísilsteindum). Titillinn gaf það næstum því til kynna að rannsakendur höfðu framleitt steingervt tré, en það höfðu þeir ekki gert. Rannsakendurnir athuguðu 77 sýni af steingervðum trjám, en höfðu ekki reynt að endurskapa þau. Greinilega vissi enginn hvernig átti að gera það.

Vísindamenn verða fyrst að hafa viðmið vaþrývarma til að geta búið til steingerving byggðan á kvars á árangursríkan hátt. Það viðmið myndi gera meira en að búa til steingervinga – það myndi afhjúpa þann vísdóm um hvernig kristöllunarferlið varðveitir leifar af kolefni. En vegna þess að þeir höfðu enga þekkingu á vaþrývarma, ályktuðu áströlsku rannsakendurnir ranglega:

Lokastig steinruna inniheldur vatnstap og jafnvel ummyndun einnar tegundar kísils í aðra. (Petrification of Wood by Silica Minerals, G. Scurfield, E. R. Segnit, Sedimentary Geology, 39, 1984, bls. 149).

Þótt undarlegt megi virðast, útskrifast jarðfræðingar í dag án grundvallar skilnings á kristöllunarferlinu og myndun steinda í vatni. Án vatns gæti steinruni og kristöllun kalsedóns og kvars, sem er megin steintegundin sem steingervð tré eru gerð úr, ekki átt sér stað. Þetta er ferli sem kallast prethermation (þrývermir, eða það ferli sem leiðir til útfellingar á föstu efni í lausnum þegar þrýstingur eða hitastig breytist) og er lýst í undirkafla 7.4 um kristöllunarferlið, en nútíma jarðfræðingar eru ekki meðvitaðir um þetta myndunarferli.

Þrývermir inniheldur útfellingu á föstu efni í lausn/gasi vegna breytinga á þrýstingi eða falli á hitastigi. Uppleystur kísill í vatnslausn getur orðið að kalsedón eða kvars kristalli undir ákveðnum háum þrýstingi og hitastigi, þegar þrýstingurinn breytist eða ef hitastig lausnarinnar fellur. Eðlisfræði þessa ferlis var þekkt fyrir löngu síðan í öðrum vísindagreinum, en sú þekking var greinilega ekki gefin áfram inn í jarðfræðisamfélagið. Í sjálfu sér skilja jarðfræðingar ekki að það getur ekki hafa verið vatnstap og að eina leiðin til að ein tegund kísils gæti breyst í aðra tegund, er að hann leysist upp í vaþrývarma lausn þar sem hann getur þá endurkristallast eftir að hafa orðið fyrir hitastigs- og/eða þrýstingsbreytingu. Breyting á þessum eðlisfræðilegum kennistærðum breytir tegundinni á kvars steingervingum og öðrum kristöllum.

Tveimur áratugum síðar, árið 2005, skrifuðu rannsakendur um að hafa fundið „steinrunninn fugl“ (bleshæna) í útfellingum við hveri í Yellowstone þjóðgarðinum. Það var rannsakendum ljóst að varðveisla fól í sér „útfellingu við hátt hitastig í hverum“ vegna virkra hvera á svæðinu. Þeir tóku einnig eftir „milligöngu örvera“ sem var þáttur tengdur ópal steinruna í vaþrývarma vatni. Þeir ályktuðu að svipaðir eðlisfræðilegar og efnafræðilegar kennistærðir gætu hafa verið ábyrgar fyrir varðveislu annarra steingervinga:

Fyrsti steingervði fuglinn sem náðist úr útfellingu við hátt hitastig í hverum, er þrívíddar útvortis líkamsmót af amerískri bleshænu (Fulica americana) frá Holocene hveraútfellingu í Yellowstone þjóðgarðinum, Wyoming, Bandaríkjunum. Hrúðurmyndun kísils á hræinu og á fjöðrunum, ásamt aðsetur örverusamfélaga gerðist innan við daga eftir dauða og fyrir verulegri rotnun mjúkra vefa, sem leyfði varðveislu á grófri líkamsbyggingu sem venjulega tapast undir öðrum steingervingaferlum. Við settum fram þá tilgátu að aukin tíðni og umfang á ópal-A útfellingu, fengin fram annaðhvort með óvirkri eða virkri milligöngu örvera sem komu í kjölfar útbreiðslu örvera í hræjum, er nauðsynleg fyrir einstaka varðveislu hlutfallslegra stórra og holduga hræja í mjúkum vefum lífvera með myndun útfellingu steinda. (A silicified bird from Quantenary hot spring deposits, Alan Channing, Mary Higby Schweitzer, John R. Horner, Terry McEneaney, Proceedings of the Royal Society, 2005, 272, bls. 905).

Rannsakendurnir höfðu leitt hinn mikilvæga þátt hitastigs í ljós fyrir varðveisluferlið, en það voru nokkrar mikilvægar spurningar eftir ósvaraðar. Í fyrsta lagi, ef heitt vatn er ábyrgt fyrir steinruna á þessum steingervingi, hvers vegna ekki að vænta þess að aðrir steingervingar séu einnig tengdir hita eða heitu vatni, jafnvel þó að þeir séu ekki í námunda við ‚hverasvæði‘ í dag. Rannsakendurnir lögðu eitthvað svipað þessu til í lokaorðum sínum, en gerðu sér líklega ekki grein fyrir þeim afleiðingum slíkrar hugmyndar, þar sem hún yrði heimfærð á steingervinga úr öllum heimsálfum.

Núverandi steingervingakenning tekur ekki tillit til þarfarinnar fyrir heitu vatni, né getur hún útskýrt fíngerðu varðveisluna (fjaðrir fuglsins). Margir steingervingar innihalda svipað magn af varðveittum smáatriðum. Í greininni sem vitnað er í að ofan, Petrification of Wood by Silica Minerals, gefin út árið 1984, sýndu þunn þversnið smáatriði einstakra fruma og samsetningu þeirra í kísilrunnu steingerðu tré. Í dag er hefðbundið grunnvatn ekki heitt og getur þess vegna ekki varðveitt eða kísilrunnið trébút sem er grafinn í jörðunni.

Í öðru lagi, fuglasteingervingurinn í Yellowstone varðveittist með ópal, sem er svipað þeim niðurstöðum tilrauna í rannsóknarstofu sem áður hefur verið minnst á, sem sýndi trjáfrumur sem höfðu umbreyst í ópal í vatni sem var ofurmettað kísil. Hins vegar fór mikilvægi hás hitastigs fram hjá þessu tilraunafólki, alveg eins og vísindamenn fuglasteingervingsins fóru á mis við þá staðreynd að meira en 99% steingervinga heimsins eru ekki ópal – heldur eru kristallar byggðir á kvars. Og kvars getur ekki vaxið í hverum án þess að hafa háan þrýsting. Þetta færir okkur til baka til vaþrývarma, hins sanna uppruna steingervinga.