24 februari 2020

Inherente dynamiek Aarde oorzaak zuurstofrijke atmosfeer

Hoe komt het dat de Aarde zo een zuurstofrijke atmosfeer bezit? Een onderzoeksteam van de Universiteit van Leeds (VK) o.l.v. Lewis J. Alcott kwam tot een verrassende ontdekking. Het biogeochemisch team creëerde een computermodel van de koolstof-, zuurstof- en fosforcycli van de aarde en ontdekte dat de grote zuurstofovergangen die onze planeet doorgemaakt heeft kunnen worden verklaard door de eigen inherente dynamiek van onze planeet. Het is waarschijnlijk dat er geen incidentele reeks van gebeurtenissen vereist is die schoksgewijs zorgde voor pieken in zuurstof toename op aarde.

Atmosfeer Aarde EarthKam credits; JPL / NASA

‘Hoe komt het dat wij het geluk hadden om te evolueren op een zuurstofrijke planeet?’ was de hamvraag van het onderzoek. Uit studie van de 4,5 miljard jaar durende ontstaansgeschiedenis van de oceanen en atmosfeer van de Aarde is gebleken dat de stijging naar het huidige O2 niveau, welke z’n 21% uitmaakt van de atmosfeer, een vrij moeizaam proces was.  De huidige consensus is dat de aarde in drie grote stappen een stijging van het zuurstofniveau heeft ondergaan; na de ‘Great Oxidation Event’**, volgde het ‘Neoproterozoïc Oxygenation Event’ en het ‘Paleozoïc Oxygenation Event’ resp. 2,4 miljard, 800 en 400 miljoen jaar geleden, waarna het zuurstofniveau zijn huidige piek bereikte. Hoe deze processen zich voltrokken is voor biogeochemici nog steeds een belangrijk onderzoeksthema.

Een geopperd idee is dat nieuw ontstane organismen de planeet ‘bio-engineerden’, d.w.z. het metabolisme proces en de manier van leven van de organismen veroorzaakten een herstructurering van de aardatmosfeer en de oceanen. De opkomst van landplanten, zo’n 400 miljoen jaar geleden, zou de zuurstof in de atmosfeer hebben verhoogd door fotosynthese op het land, waarbij het de rol van fotosynthetische bacteriën in de oceaan overnam die in de geschiedenis van de aarde altijd de grootste zuurstofproducenten zijn geweest. Ook tektonische veranderingen of vulkanische uitbarstingen zijn als mogelijke oorzaken genoemd. Door deze, op een reeks van incidentele gebeurtenissen gebaseerde ontstaansgeschiedenis lijkt het alsof we eenvoudig weg geluk hebben gehad te kunnen door evolueren op een zuurstofrijke aarde. Echter dit onderzoek suggereert dat dit niet het geval is. Het team creëerde een computermodel van de koolstof-, zuurstof- en fosforcycli van de aarde en ontdekte dat de zuurstofovergangen kunnen worden verklaard door de inherente dynamiek van onze planeet en waarschijnlijk geen complexe evolutionaire sprongen vereiste.

Een factor die volgens de onderzoekers ontbreekt in veel theorieën over de zuurstofvoorziening van de aarde is fosfor (noodzakelijk in de synthese van DNA en aanverwante verbindingen). Fosfor is van groot belang voor het fotosynthese proces van bacteriën en algen in de oceaan. Hoeveel mariene fosfor er is, zal uiteindelijk bepalen hoeveel zuurstof er op aarde wordt geproduceerd. Dit is een feitelijk gegeven al sinds de evolutie van fotosynthetische microben zo’n drie miljard jaar geleden. Fotosynthese in de oceaan is afhankelijk van fosfor, maar hoge fosfaatspiegels stimuleren ook het zuurstofverbruik in de diepe oceaan via een proces dat eutrofiëring (vergroting van de voedselrijkdom in met name water) wordt genoemd. Wanneer fotosynthetische microben afsterven, vallen ze uiteen, waardoor zuurstof uit het water wordt verbruikt. Als het zuurstofniveau daalt, hebben sedimenten de neiging om nog meer fosfor vrij te geven. Deze feedbackloop verwijdert snel zuurstof.

De zuurstof niveaus in de oceanen konden snel veranderen, maar ze werden gedurende lange tijdschalen gebufferd door een ander proces waarbij de aardmantel betrokken was. Gedurende de geschiedenis van de aarde heeft vulkanische activiteit gassen vrijgemaakt die reageren met en zuurstof uit de atmosfeer verwijderen. Deze gasfluxen zijn in de loop van de tijd afgenomen als gevolg van de aardmantelkoeling, en het computermodel suggereert dat deze langzame reductie samen met de initiële evolutie van fotosynthetisch microbieel leven alles was dat nodig was om een reeks stapsgewijze toenames in zuurstofniveau te produceren.

De getrapte toenames van het computermodel toonden een duidelijke gelijkenis met de stapsgewijze verhoging van zuurstof op aarde. Het zuurstofpatroon kan worden gecreëerd zonder de noodzaak van complexe evolutionaire sprongen vooruit, of catastrofale vulkanische of tektonische gebeurtenissen. Mede-onderzoeker Simon Poulton stelt: “Dezelfde processen zouden zich kunnen afspelen op elke planeet met oceanen en continenten, en waar fotosynthese is geëvolueerd,” en vervolgt: “Het lijkt er dus op dat de zuurstofvoorziening van de aarde onontkoombaar was nadat de fotosynthese was geëvolueerd – en de kansen dat werelden met een hoog zuurstofgehalte elders zouden kunnen bestaan, zouden veel groter kunnen zijn.” Bron: New Scientist

*Stepwise Earth oxygenation is an inherent property of global biogeochemical cycling, L.J. Alcott, B.J.W. Mills, S. W.  Poulton, Nature/Science, DOI: 10.1126/science.aax6459

**De aardmantel koelde geleidelijk af sinds de planeet is gevormd en terwijl deze afkoelt, laat deze minder vulkanische gassen zoals CO vrij, die reageren met O2 en deze uit de lucht verwijderen. Toen het team modelleerde hoe deze verschuiving de zuurstofcirculatie rond de planeet beïnvloedde, zag men drie maal een sterke O2 toename gelijk de oxidatie-gebeurtenissen.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.