De zuurstof op aarde is in de loop der tijd

De zuurstof op aarde is in de loop der tijd sterk veranderd – hier is hoe onze gegevens ons kunnen helpen om buitenaards leven op te sporen

NASA

Zijn wij alleen in het heelal? Dat is een vraag die de mens al eeuwenlang intrigeert en talloze studies en fictiewerken heeft geïnspireerd. Maar komen we dichter bij die ontdekking? Nu de James Webb Space Telescope (JWST) operationeel is, hebben we misschien een reuzensprong gemaakt om dit op een dag te kunnen beantwoorden.

Een van de vier hoofddoelstellingen van de JWST is het bestuderen van exoplaneten – planeten die zich buiten ons zonnestelsel bevinden – en het bepalen uit welke gassen hun atmosfeer bestaat. Nu heeft ons nieuwe onderzoek naar de variatie van zuurstof op aarde in de loop van de geologische tijd aanwijzingen opgeleverd over waar we eigenlijk naar moeten zoeken.

Om te proberen te begrijpen hoe, wanneer en waarom leven zich op andere planeten zou kunnen ontwikkelen, is het zinvol om te kijken naar de enige planeet die we momenteel kennen en die leven herbergt: De aarde. Inzicht in de ingewikkelde evolutiegeschiedenis van onze eigen planeet zou de sleutel kunnen zijn tot het vinden van andere planeten die leven kunnen ondersteunen.

Leven en zuurstof

We weten dat dieren zuurstof nodig hebben om te overleven, hoewel sommige, zoals sponzen, minder nodig hebben dan andere. Maar terwijl zuurstof tegenwoordig ruimschoots beschikbaar is en 21% van de atmosfeer uitmaakt, weten we ook dat dit gedurende het grootste deel van de geschiedenis van de aarde niet het geval was.

Als we diep in ons verleden zouden reizen, voorbij ongeveer 450 miljoen jaar geleden, zouden we een handige voorraad zuurstoftanks bij ons moeten hebben. Maar waar we minder zeker van zijn, is de absolute hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer en de oceanen door de tijd heen en of de stijging van het zuurstofgehalte de evolutie van het dierlijk leven voedde, of omgekeerd. Deze vragen hebben aanleiding gegeven tot talrijke debatten en tientallen jaren onderzoek.

De huidige denkwijze is dat het zuurstofgehalte in drie grote stappen is gestegen. De eerste, genaamd de “grote oxidatiegebeurtenis”, vond ongeveer 2,4 miljard jaar geleden plaats en veranderde de Aarde van een planeet die in wezen verstoken was van zuurstof in de atmosfeer en de oceanen in een planeet met zuurstof als permanent kenmerk. De derde gebeurtenis vond ongeveer 420 miljoen jaar geleden plaats en wordt het “Paleozoïcum oxygenatie” genoemd.

Maar daartussen, zo’n 800 miljoen jaar geleden, ligt de tweede stap: het “Neoproterozoïsche oxygenatie-evenement” of NOE. Aanvankelijk suggereerde informatie uit sedimentaire gesteenten die op de oceaanbodem waren gevormd, dat in deze periode de zuurstof steeg tot ongeveer het huidige niveau.

Maar meer gegevens die sindsdien zijn verzameld, suggereren een meer intrigerende zuurstofgeschiedenis. Belangrijk is dat het NOE plaatsvond vlak voor het bewijs van de allereerste dieren, ongeveer 600 miljoen jaar geleden.

Beeld van James Webb van een cluster van sterrenstelsels op ongeveer 4 miljard lichtjaar van de aarde.

Beeld van James Webb van een cluster van sterrenstelsels op ongeveer 4 miljard lichtjaar van de aarde.
NASA, ESA, CSA, en STScI

Modelleren van zuurstofniveaus

Wij zijn begonnen met het onderzoeken en reconstrueren van het zuurstofgehalte in de atmosfeer tijdens het NOE om te zien onder welke omstandigheden de eerste dieren verschenen. Daartoe hebben wij een computermodel van de aarde gebouwd, waarin kennis is verwerkt over de verschillende processen die zuurstof aan de atmosfeer kunnen leveren of juist verwijderen.

We onderzochten koolstofhoudend gesteente, wereldwijd afgezet, om de fotosynthesesnelheid in de oudheid te berekenen. Fotosynthese is het proces waarbij planten en microben zonlicht, water en koolstofdioxide gebruiken om zuurstof en energie te creëren in de vorm van suikers – de belangrijkste bron van zuurstof op aarde.

Koolstof bestaat van nature in vele isotopen – atomen met een verschillend aantal neutronen in hun kern (de kern bestaat uit protonen en neutronen). Verschillende isotopen hebben daarom enigszins verschillende afmetingen en massa’s van elkaar.

We hebben gekeken naar isotopen van koolstof die bekend staan als koolstof-12 en koolstof-13, die geen radioactief verval ondergaan. Planten gebruiken bij voorkeur koolstof-12 – de lichtste isotoop – tijdens de fotosynthese, waardoor het zeewater en vervolgens de rotsen die zich op de oceaanbodem vormen, verrijkt zijn met koolstof-13.

Als we deze rotsen miljoenen of zelfs miljarden jaren later analyseren, en we vinden meer koolstof-13 dan koolstof-12, dan kunnen we voorspellen dat er meer fotosynthese, en dus meer zuurstofproductie, heeft plaatsgevonden. Wij hebben toen vulkanische activiteit gemodelleerd, die gassen kan vrijmaken die reageren met zuurstof, waardoor die uit de atmosfeer verdwijnt.

Deze aanpak klinkt misschien een beetje vreemd, en je kunt je afvragen waarom we niets directers konden meten. Dat komt omdat de meeste geologische bewijzen uit deze tijd niet bewaard zijn gebleven, en deze isotopenverhoudingen van koolstof zijn een van de weinige goed gedefinieerde datasets die we over deze periode hebben.

Wat wij vonden is dat, in plaats van een simpele sprong in het zuurstofgehalte tijdens het Neoproterozoïcum, de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer aanzienlijk veranderde en, op geologische tijdschalen, zeer snel. Terwijl 750 miljoen jaar geleden 12% van de atmosfeer uit zuurstof bestond, was dit in slechts enkele tientallen miljoenen jaren gedaald tot ongeveer 0,3% – een heel klein beetje – alvorens enkele miljoenen jaren later weer te stijgen.

Uit ons onderzoek blijkt dat de atmosferische zuurstof deze dans tussen hoge en lage niveaus waarschijnlijk heeft voortgezet totdat planten zo’n 450 miljoen jaar geleden voet aan de grond kregen.

Zoeken naar buitenaards leven

Deze resultaten zijn om een aantal redenen intrigerend. We hebben vaak gedacht dat de relatieve stabiliteit die de aarde de afgelopen 4,5 miljard jaar heeft gekend noodzakelijk is voor de bloei van leven. Immers, wanneer zich grote gebeurtenissen voordeden, zoals asteroïde-inslagen, ging het niet goed met sommige bewoners van de Aarde (sorry, dinosauriërs).

Maar als de eerste dieren evolueerden tegen een achtergrond van sterk wisselende zuurstofniveaus, suggereert dit dat er juist dynamische veranderingen nodig zijn om ecologische innovatie te bevorderen.

Onze resultaten suggereren dat perioden van lage zuurstofniveaus in de atmosfeer belangrijk kunnen zijn geweest voor de ontwikkeling van complexer leven, door het uitsterven van sommige eenvoudige organismen te veroorzaken en de overlevenden in staat te stellen zich uit te breiden en te diversifiëren wanneer de zuurstofniveaus weer stegen. We moeten dus niet uitsluiten dat we exoplaneten met een zuurstofarme atmosfeer nader gaan bekijken.

Natuurlijk is dit een zeer aardse en zelfs dierlijke visie. Buitenaards leven kan heel anders zijn dan leven op Aarde. Het zou bijvoorbeeld heel goed kunnen bestaan op planetaire lichamen zoals Titan – een van de manen van Saturnus – waar zeeën van vloeibaar methaan en ethaan zijn. Maar als uitgangspunt bij onze zoektocht naar buitenaards leven is inzicht in de geschiedenis van atmosferische zuurstof op aarde een nuttige leidraad.

Het Gesprek

Alex Krause ontving financiering van het NERC SPHERES Doctoral Training Partnership NE/L002574/1.

Benjamin J. W. Mills ontvangt financiering van UK Research and Innovation / NERC grant NE/S009663/1