Vulkanische activiteit van miljarden jaren geleden legde de basis voor de zuurstofrijke atmosfeer van de aarde, volgens onderzoek

Een complex netwerk van interacties tussen geologische kenmerken, waaronder vulkanen, de ondergrondse mantel, oceanen en de atmosfeer, heeft de chemische mix gecreëerd die nodig was voor het zuurstofrijk maken van onze atmosfeer in de vroegste levensfases.

Wetenschappers geloven algemeen dat de atmosfeer van de aarde al ongeveer 2,5 miljard jaar rijk aan zuurstof is, dankzij een relatief snelle toename van micro-organismen die in staat zijn tot fotosynthese. Onderzoekers, waaronder die van de Universiteit van Tokyo, hebben een mechanisme gepresenteerd dat eerdere zuurstofaties (of “flitsen”) kan verklaren, die mogelijk de weg hebben geopend voor deze ontwikkeling.

Hun bevindingen, gepubliceerd in Communications Earth & Environment, suggereren dat vulkanische activiteit de omstandigheden voldoende heeft veranderd om de zuurstofatie te versnellen, en dat de flitsen een aanwijzing zijn voor deze processen.

De lucht bestaat voornamelijk uit inert stikstof, waarbij zuurstof slechts 21% van de samenstelling uitmaakt. Dit was echter niet altijd het geval; verschillende massa-extinctie-evenementen komen overeen met periodes waarin dit percentage dramatisch veranderde. Terugkijkend naar ongeveer 3 miljard jaar geleden, was er vrijwel geen zuurstof aanwezig. Wat is er veranderd en hoe is dit gebeurd?

De wetenschappelijke consensus is dat ongeveer 2,5 miljard jaar geleden het Grote Zuurstofevenement (GOE) plaatsvond, waarschijnlijk door een proliferatie van micro-organismen die profiteerden van gunstige omstandigheden en weinig concurrentie ondervonden.

Deze organismen zouden de kooldioxide-rijke atmosfeer hebben omgevormd tot een zuurstofrijke, waarna complex leven volgde dat profiteerde van deze nieuwe overvloed aan zuurstof. Het lijkt er echter op dat er enkele voorafgaande zuurstofaties waren vóór de GOE, die mogelijk de exacte aard en timing van de veranderingen in de voorwaarden die nodig waren voor de start van de GOE aanduiden.

“De activiteit van micro-organismen in de oceaan speelde een centrale rol in de evolutie van atmosferische zuurstof. We denken echter dat dit niet onmiddellijk heeft geleid tot zuurstofatie van de atmosfeer, omdat de hoeveelheid voedingsstoffen zoals fosfaat in de oceaan op dat moment beperkt was, wat de activiteit van cyanobacteriën, een groep bacteriën die in staat zijn tot fotosynthese, beperkte,” zei professor Eiichi Tajika van de afdeling Aarde- en Planeetwetenschappen aan de Universiteit van Tokyo.

“Waarschijnlijk waren er enkele enorme geologische gebeurtenissen nodig om de oceanen van voedingsstoffen te voorzien, waaronder de groei van de continenten en, zoals we in ons artikel suggereren, intense vulkanische activiteit, waarvan we weten dat deze heeft plaatsgevonden.”

Tajika en zijn team gebruikten een numeriek model om belangrijke aspecten van biologische, geologische en chemische veranderingen tijdens het late Archaïcum (3,0–2,5 miljard jaar geleden) in de geologische geschiedenis van de aarde te simuleren.

Ze ontdekten dat grootschalige vulkanische activiteit de atmosferische kooldioxide verhoogde, waardoor het klimaat opwarmde, en de toevoer van voedingsstoffen naar de oceaan verhoogde, wat op zijn beurt het zeeleven voedde en tijdelijk de atmosferische zuurstof verhoogde. De toename van zuurstof was echter niet constant en kwam in golven die nu bekend staan als flitsen.

“Het begrijpen van de flitsen is cruciaal voor het vaststellen van de timing van de opkomst van fotosynthetische micro-organismen. De voorkomens worden afgeleid uit concentraties van elementen die gevoelig zijn voor atmosferische zuurstofniveaus in de geologische records,” zei onderzoeksassociate Yasuto Watanabe.

“De grootste uitdaging was het ontwikkelen van een numeriek model dat het complexe, dynamische gedrag van biogeochemische cycli onder late Archaïsche omstandigheden kon simuleren. We hebben voortgebouwd op onze gezamenlijke ervaring door vergelijkbare modellen voor andere tijden en doeleinden te gebruiken, waarbij we verschillende componenten samenbrachten om het dynamische gedrag van het late-Archaïsche aardsysteem na de volatiele vulkanische gebeurtenissen te simuleren.”