Toename zuurstof in vroege oceaan te danken aan wiebelende aardas

Margriet Lantink deed met een internationaal team van wetenschappers onderzoek naar deze fluctiaties, en publiceerde het wetenschappelijk artikel Precessional pacing of early Proterozoic redox cycles hierover.

De plotselinge komst van zuurstof

Twee en een half miljard jaar geleden werkte het ‘Systeem Aarde’ wezenlijk anders dan vandaag de dag. De atmosfeer was zuurstofloos en de oceanen waren rijk aan opgelost ijzer. Eencellige bacteriën waren vrijwel de enige bewoners. Dat veranderde tijdens het zogenoemde ‘Grote Oxidatie Event’. Vanaf ongeveer 2,4 tot 2,2 miljard jaar geleden kwam er in een geologische oogwenk voor het eerst veel zuurstof in de lucht en het zeewater terecht. Deze gebeurtenis was cruciaal voor de verdere ontwikkeling van leven op onze planeet.

Zuurstofloze zeeën

De interesse van NIOZ-onderzoekers in zuurstofloze of zuurstofrijke zeeën beperkt zich niet tot het verre verleden, benadrukt onderzoeker Gert-Jan Reichart van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) en tevens hoogleraar Mariene Geologie in Utrecht. “Het onderzoek is ook vandaag relevant omdat we zien dat er zuurstofloze zones in sommige delen van de oceaan ontstaan. Hoewel de tijdschaal heel anders is, kan het onderzoek naar schommelende zuurstofgehaltes in zeewater uit het verre verleden ons inzichten geven die nuttig zijn om de huidige toename van zuurstofloze zones beter te begrijpen.”

Banden van ijzer

Tijdens het onderzoek keken Lantink en haar collega’s naar aardlagen van 2,46 miljard jaar oud in Australië. Het patroon van regelmatige ‘banden van ijzer’ dat zij daar vonden, bleek overeen te komen met het ritme van de tollende aarde en veranderingen in de baan van de aarde om de zon. Die ijzerbanden hangen op hun beurt weer samen met het komen en gaan van zuurstof in de oceanen.

Komen en gaan van zuurstof

Om te begrijpen hoe het patroon van ijzerbandjes uit de oude aardlagen in Australië is ontstaan, lieten de onderzoekers chemische modelberekeningen los op de 2,5 miljard jaar oude oceaanbodems. Lantink: “We ontdekten dat perioden van veel bacteriegroei gepaard ging met het neerslaan van ijzer. De zuurstof die door de bacteriën werd geproduceerd, bond aan ijzer, dat vervolgens als oxide naar de bodem werd afgevoerd. In perioden met minder bacteriegroei, bleef er meer ijzer opgelost in het water zitten.”

Tollende aardas

Dat komen en gaan van zuurstof en ijzeroxide (roest) op de oceaanbodem bleek het patroon te volgen van de zogeheten Milankovitch-cycli. Die cycli beschrijven de variatie van het aardse klimaat als gevolg van het heen en weer wiebelen van de draaiende aardas. Ook het veranderen van de vorm van de baan van de aarde om de zon is een ritmisch terugkerend proces. In de periode van het onderzoek had die ‘wiebel’ een ritme van 11 duizend jaar. Tegenwoordig wiebelt de aardas in een ritme van 21 duizend jaar heen en weer.

Precies het goede moment

Dit ritme beïnvloedt het klimaat op aarde, en daarmee dus ook het komen en gaan van zuurstof in de oude oceanen. “Het patroon dat in Australië zichtbaar werd, herkennen we ook in veel jongere aardlagen rond de Middellandse Zee”, aldus Reichart. “Dit onderzoek laat zien dat de astronomische condities vlak voor het Grote Oxidatie Event, 2,5 miljard jaar terug, blijkbaar zó gunstig waren, dat het zuurstofgehalte af en toe over een drempel werd getild. Op die momenten werd er zó veel zuurstof geproduceerd dat het opgeloste ijzer het niet allemaal meer als roest kon afvoeren naar de zeebodem.”

Samenloop van omstandigheden

Dat deze samenloop van omstandigheden optrad, lijkt misschien een grote toevalligheid maar is het toch niet. Er was altijd al astronomische beïnvloeding van het aardse klimaat. Op de continenten die toen al waren ontstaan, zorgden rivieren tijdens natte periodes voor afvoer van veel voedingsstoffen. Deze voedingsstoffen leidden tot de terugkerende bloei van cyanobacteriën in de oceanen. De productie van zuurstof die daarmee gepaard ging, heeft er uiteindelijk toe geleid dat het zuurstofgehalte op aarde enorm toenam. En dat bleek cruciaal voor de ontwikkeling van complex leven op Aarde, korte tijd daarna.

Meer informatie

• De wetenschappelijke publicatie Precessional pacing of early Proterozoic redox cycles, geschreven door Margriet L. Lantink, Wytze K. Lenstra, Joshua H.F.L. Davies, Rick Hennekam, David McB. Martin, Paul R.D. Mason, Gert-Jan Reichart, Caroline P. Slomp en Frederik J. Hilgen, verschenen in Earth and Planetary Science Letters.
  

Tekst: NIOZ
Foto's: Frits Hilgen, Universiteit Utrecht; Margriet Lantink