De hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer fluctueerde een miljard jaar geleden behoorlijk. Dit schommelende zuurstofniveau zou de evolutie van het eerste dierlijke leven flink versneld kunnen hebben, denken onderzoekers.

De eerste atmosfeer, die 4,5 miljard jaar geleden na het ontstaan van de aarde ontstond, bevatte nauwelijks moleculair zuurstof (O2). Tegenwoordig bestaat de atmosfeer voor ruim 20 procent uit dit gas, waar wij nog geen tien minuten buiten kunnen. Die huidige hoeveelheid zuurstof ontstond waarschijnlijk in drie stappen.

Drie stappen

De eerste keer dat de atmosfeer verrijkt werd met moleculair zuurstof was tijdens de zuurstofcrisis ruim 2 miljard jaar geleden. Het waren waarschijnlijk blauwalgen (ofwel cyanobacteriën) die deze zuurstof produceerden. Dit veroorzaakte een massa-uitsterving van anaerobe microben, waarvoor zuurstof giftig is.

‘Er is heel lang verkeerd naar een alzheimermedicijn gezocht’
LEES OOK
‘Er is heel lang verkeerd naar een alzheimermedicijn gezocht’

De laatste stap, die het zuurstofniveau naar de huidige 20 procent bracht, vond ongeveer 400 miljoen jaar geleden plaats. Ronde deze tijd deden de eerste landplanten hun intrede. Het is nog onduidelijk wat er precies gebeurde met het zuurstofniveau tijdens de tweede stap, tijdens het tijdvak met de naam Neoproterozoïcum.

Het was in elk geval een spannende periode voor het leven op aarde. In die tijd, van ongeveer 1 miljard jaar geleden tot 500 miljoen jaar geleden, ontstonden namelijk de eerste dierlijke levensvormen. Overblijfselen van de oudst bekende dieren zijn gevonden in gesteente van 630 tot 642 miljoen jaar oud.

Zuurstofniveau

Om te achterhalen of en hoe het zuurstofniveau in die periode invloed had op de evolutie van deze eerste dieren, onderzochten onderzoekers in het Verenigd Koninkrijk sedimentair gesteente uit die periode. Dit sediment bestaat uit neergeslagen organisch materiaal, zoals plantenresten. Aan de hand van koolstof-14-datering, waarbij de verhouding tussen verschillende vormen (isotopen) van koolstof wordt gemeten, konden ze achterhalen uit welke perioden de plantenresten en ander organisch materiaal (bijvoorbeeld van bacteriën) in elke sedimentlaag kwamen. Deze planten en bepaalde bacteriën deden tijdens hun leven aan fotosynthese, waarbij ze koolstofdioxide met behulp van zonlicht omzetten in suikers en zuurstof.

Met deze sediment-metingen konden de onderzoekers dus inschatten hoeveel fotosynthese er plaatsvond. Omdat fotosynthese de belangrijkste bron is van zuurstof in de atmosfeer, is het mogelijk om hieruit het zuurstofniveau af te leiden. Zo brachten ze het zuurstofniveau van de atmosfeer in de afgelopen 1,5 miljard jaar in kaart.

‘Ons onderzoek toont aan dat de zuurstofniveaus veel dynamischer waren dan gedacht”, vertelt Alex Krause, biogeochemische modelleur aan de University College London, die het onderzoek leidde. ‘Het blijkt dat het lange tijd heen en weer schommelde tussen hoge en lage zuurstofniveaus. We zien perioden waarin de oceaanomgeving, waar de eerste dieren leefden, een overvloed aan zuurstof moet hebben gehad en we zien perioden waarin dat niet het geval is.’

Evolutionaire druk

Volgens de onderzoekers kunnen deze wisselende omstandigheden ervoor gezorgd hebben dat de evolutie in een soort snelkookpan terecht kwam. Een daling van het zuurstofniveau veroorzaakte namelijk telkens een (kleine) uitstervingsgolf. Als de hoeveelheid zuurstof weer opliep, kregen de overlevers de kans om hun leefgebied uit te breiden. Op die momenten was er ruimte voor het ontstaan van nieuwe levensvormen. Deze eerste dieren leefden allemaal in zee.

Dit geleidelijke groeien van de bewoonbare gebieden, met voldoende zuurstof, ging miljoenen jaren lang met twee stappen vooruit en weer eentje achteruit. Dit eindigde toen landplanten 400 miljoen jaar geleden het zuurstofniveau stabiliseerden door zuurstof uit te stoten. Dat maakte de weg vrij voor de evolutie van grotere zeedieren met een hogere zuurstofbehoefte, en uiteindelijk landdieren.