Ontdekking van IJzeroxidestenen Verandert Ons Begrip van de Oerzeeën

Dwarsdoorsnede van een ei-vormige ijzeroxide steen: Deze stenen bevatten informatie over de hoeveelheid organische koolstof in de zee van miljoenen jaren geleden, vergelijkbaar met een tijdcapsule.

Aarde wetenschappers staan vaak voor enorme uitdagingen bij het onderzoeken van de geschiedenis van de aarde: veel belangrijke gebeurtenissen vonden zo lang geleden plaats dat er weinig direct bewijs beschikbaar is. Daarom zijn onderzoekers vaak afhankelijk van indirecte aanwijzingen of computer modellen.

Een team onder leiding van ETH Professor Jordon Hemingway heeft echter een unieke natuurlijke getuige van deze periode ontdekt: kleine ei-vormige ijzeroxide stenen die gebruikt kunnen worden om de koolstofreserves in de oerzee rechtstreeks te meten. Van buitenaf lijken ze op zandkorrels, maar qua vorming zijn deze zogenaamde ooïden meer als rollende sneeuwballen: ze groeien in lagen terwijl ze door de golven over de zeebodem worden geduwd. In het proces hechten organische koolstofmoleculen zich aan hen en maken ze deel uit van de kristalstructuur.

Koolstofcyclus in de Oerzee

De onderzoekers tonen aan dat tussen 1.000 en 541 miljoen jaar geleden deze koolstofvoorraad aanzienlijk lager was dan eerder aangenomen. Deze bevindingen weerleggen de gangbare verklaringen van belangrijke geochemische en biologische gebeurtenissen uit die tijd en werpen een nieuw licht op de geschiedenis van de aarde.

De Oceaan als Reservoir van Levensbouwstenen

Hoe komt koolstof in de oceanen? Aan de ene kant lost kooldioxide (CO2) op uit de lucht in het zeewater en wordt het door mengprocessen en oceaanstromingen naar de diepten getransporteerd, waar het lange tijd wordt vastgehouden. Aan de andere kant wordt organische koolstof geproduceerd door fotosynthetische organismen zoals fytoplankton of bepaalde bacteriën. Deze microscopische organismen produceren organische koolstofverbindingen met behulp van zonne-energie en CO2.

Wanneer de organismen sterven, zakken ze langzaam naar de zeebodem als ‘zeesneeuw’. Als ze de zeebodem bereiken zonder onderweg gegeten te worden, wordt de koolstof miljoenen jaren opgeslagen. Maar niet alleen fytoplankton levert koolstofcomponenten. Levensbouwstenen worden ook hergebruikt: micro-organismen decomponeren uitwerpselen en dode organismen, waardoor de bouwstenen weer vrijkomen. Deze moleculen vormen wat bekend staat als oplosbare organische koolstof, die vrij in de oceaan drijft: een enorm reservoir dat 200 keer meer koolstof bevat dan feitelijk ‘gebouwd’ is in het mariene leven.

De Zuurstofrevolutie Veranderde Alles

Op basis van afwijkingen in oceanische sedimentaire gesteenten, gingen onderzoekers ervan uit dat dit reservoir van bouwstenen tussen 1.000 en 541 miljoen jaar geleden bijzonder volumineus moest zijn geweest.

Deze aanname diende lange tijd als basis voor het verklaren van hoe ijstijden en complexe levensvormen tegelijkertijd zijn ontstaan. De fotosynthetische productie van levensbouwstenen is nauw verbonden met de ontwikkeling van de atmosfeer en complexere levensvormen. Pas door fotosynthese begon zuurstof zich in de atmosfeer op te hopen.

Tijdens twee golven—de zogenaamde zuurstofcatastrofes—steeg het zuurstofgehalte naar het huidige niveau van 21%. Beide gebeurtenissen gingen gepaard met extreme ijstijden die de hele planeet bedekten met gletsjers.

Koolstofinhoud Veel Lager dan Aangenomen

Het team van Hemingway volgt dergelijke verbanden tussen geochemische en biologische ontwikkelingen. De onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee ze de omvang van de mariene bouwstenenopslag op dat specifieke moment kunnen bepalen, op basis van de koolstofdeeltjes in ooïden. “Onze resultaten contradicten alle eerdere aannames,” vat Hemingway samen. Volgens de metingen van de ETH-onderzoekers bevatte de oceaan tussen 1.000 en 541 miljoen jaar geleden niet meer, maar eigenlijk 90 tot 99% minder oplosbare organische koolstof dan vandaag. Pas na de tweede zuurstofcatastrofe stegen de waarden naar het huidige niveau van 660 miljard metrische ton koolstof.

“We hebben nieuwe verklaringen nodig voor hoe ijstijden, complexe levensvormen en de toename van zuurstof met elkaar verband houden,” zegt hoofdauteur Nir Galili. Hij legt de enorme krimp van de koolstofopslag uit door de opkomst van grotere organismen in die tijd: eencellige en vroege meercellige organismen zogen sneller na hun dood, waardoor de mariene sneeuw toenam. Echter, de koolstofdeeltjes werden niet gerecycled in de diepere lagen van de oceaan omdat er daar zeer weinig zuurstof aanwezig was. Ze settlede op de zeebodem, waardoor het reservoir van oplosbare organische koolstof scherp daalde. Pas toen zuurstof zich in de diepe zee ophoopte, groeide het koolstofreservoir terug naar het huidige volume.

Hoewel de bestudeerde perioden lang voorbij zijn, zijn de onderzoeksbevindingen belangrijk voor de toekomst. Ze veranderen ons perspectief op hoe leven op aarde en mogelijk ook op exoplaneten is ontstaan. Tegelijkertijd helpen ze ons te begrijpen hoe de aarde reageert op verstoringen, en mensen zijn zo’n verstoring: de opwarming en vervuiling van de oceanen door menselijke activiteiten leiden momenteel tot een daling van de zuurstofniveaus in de zee.

Daarom kan niet worden uitgesloten dat de beschreven gebeurtenissen zich in de verre toekomst zouden kunnen herhalen.