Hoe de wereld rijk werd aan zuurstof

Lange tijd waren de eerste fotosynthetische cyanobacteriën nauwelijks in staat het zuurstofgehalte in de atmosfeer te veranderen – het levenselixer vond pas ongeveer 2,3 miljard jaar geleden zijn weg naar de wereld. Onderzoekers bieden nu een nieuwe verklaring voor dit mysterieuze proces: de interactie tussen speciale mariene microben en mineralen in oceaansedimenten kan leiden tot een zuurstofverrijking voor de aarde.

Met elke ademhaling voorzien mens en dier zichzelf van een deel van het gas dat ze nodig hebben voor de stofwisseling: onze lucht bevat ongeveer 21 procent zuurstof en opgelost O₂ is ook beschikbaar voor waterdieren. Het oxidatiemiddel dat energie vrijmaakt, vormt zo de basis van het leven zoals wij dat kennen. Onze wereld beschikte echter niet altijd over deze rijkdom aan O₂, zoals bekend is uit geologische studies: in de eerste twee miljard jaar van de geschiedenis van de aarde bevatte de atmosfeer nauwelijks zuurstof. Dit was het geval lang na de evolutie van fotosynthetische microben die zuurstof afgeven. Er kan zich echter niet genoeg zuurstof ophopen om de wereldwijde biosfeer te beïnvloeden. Het leek net zo te stuiteren als het eerder was uitgebracht.

Maar toen verscheen eindelijk het zogenaamde Great Oxygen Event: ongeveer 2,3 miljard jaar geleden veranderde de stabiele zuurstofarme balans – ademgas begon zich op te hopen in de atmosfeer en bereikte uiteindelijk de niveaus die vandaag de dag nog steeds leven mogelijk maken voor mens en dier. Het was een van de belangrijkste processen in de geschiedenis van de aarde. Wat onze planeet echter uit een staat van hypoxie heeft gehaald, is tot nu toe een wetenschappelijk mysterie gebleven. Hoewel er al verklarende benaderingen en hypothesen bestaan, is het volledige beeld nog niet naar voren gekomen.

Op de Treasure Invader Trail

De nieuwste bijdrage aan het ophelderen van het Great Oxygenation Event komt nu van een team van wetenschappers onder leiding van Gregory Fournier van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. De basis van hun onderzoek was een blik op de basisprincipes van het zuurstofsysteem van de aarde: de huidige inhoud van de atmosfeer is het resultaat van een stabiel evenwicht tussen de processen die zuurstof produceren en die die het verbruiken. Blijkbaar was er vóór de Great Oxygenation-gebeurtenis een ander regime, waarbij de verhouding tussen zuurstofproducenten en -verbruikers niet veel extra zuurstof in de atmosfeer achterliet.

“Als je naar de geschiedenis van de aarde kijkt, lijkt het alsof er twee sprongen waren waarbij het systeem van een stabiele toestand met heel weinig zuurstof naar een stabiele toestand met veel zuurstof ging – één in het Paleozoïcum en één in het moderne leven”, zegt Fournier. “Deze sprongen kunnen dus niet worden veroorzaakt door een kleine, geleidelijke toename van overtollig zuurstof.” Dus het team wendde zich tot de kwestie van het proces dat de sprongen had kunnen veroorzaken. De focus lag op organisch gebonden koolstof: het ontleedt voornamelijk door oxidatie: microben in de oceaan verbruiken zuurstof om te profiteren van organisch materiaal, zoals afval dat zich in sedimenten heeft afgezet. Wetenschappers hebben computermodellen ontwikkeld om informatie te krijgen over ontwikkelingen in dit systeem die een rol kunnen spelen bij zuurstofverrijking.

Interacties tussen microben en mineralen

Zoals ze meldden, bracht het systeem eindelijk een plausibel theoretisch mechanisme vrij: als sommige microben op dat moment slechts gedeeltelijk begonnen waren met het oxideren van organische stof, zou het mogelijk zijn dat er een bijzonder effectieve stof zou ontstaan: “gedeeltelijk geoxideerde organische stof” (POOM), die vanwege zijn chemische eigenschappen kan het “plakkerig” zijn. De wetenschappers leggen uit dat POOM zich op deze manier bindt aan de mineralen in het sediment, waardoor verdere oxidatie wordt voorkomen. Zuurstof die anders zou worden gebruikt om het materiaal volledig af te breken, kan zich ophopen in de atmosfeer. Zoals hun modellen suggereerden, kan dit proces de atmosfeer in een nieuw, zuurstofrijk evenwicht hebben gebracht.

De onderzoekers waren toen in staat om deze hypothese, die tot dan toe “zwak” leek, te bewijzen. “We hebben de vraag onderzocht of er een bacterieel metabolisme is dat POOM produceert”, zegt Fourier. Het team doorzocht de wetenschappelijke literatuur en identificeerde uiteindelijk een groep microben die organisch materiaal in de diepzee nog gedeeltelijk oxideren. Deze microben behoren tot de bacteriegroep SAR202 en worden gedeeltelijk geoxideerd door een enzym genaamd Baeyer-Villiger monooxygenase (BVMO). Om aanwijzingen te krijgen over wanneer deze microben zijn ontstaan ​​of hun capaciteiten, voerden de onderzoekers een fylogenetische analyse uit met behulp van het concept van een moleculaire klok.

Zoals ze meldden, werd het duidelijk dat de bacteriën eigenlijk voorouders hadden die blijkbaar bestonden vóór de Great Oxygenation Event. Daarnaast is het gen voor het enzym in verschillende soorten microben ook terug te voeren tot de periode voor zuurstofverrijking. Bovendien vonden de onderzoekers genetisch bewijs dat genetische diversificatie – het aantal soorten dat het gen verwierf – toenam in tijden dat het zuurstofgehalte in de lucht extreem hoog was. “We hebben enkele tijdelijke correlaties gevonden tussen de diversificatie van POOM-producerende genen en het zuurstofgehalte in de lucht”, zegt Chang. “Dit ondersteunt onze algemene theorie.”

Concluderend benadrukken de onderzoekers echter dat er nu meer onderzoek nodig is om hun POOM-theorie te bevestigen – van in vitro-experimenten tot veldonderzoek. Het voorstellen van een nieuwe interpretatie en het vaststellen van de geloofwaardigheid ervan is een belangrijke eerste stap. “We hebben het maar één keer voltooid”, zei Fournier.

Bron: MIT, professioneel artikel: Natuurcommunicatie, doi: 10.1038/s41467-022-28996-0

© wissenschaft.de – Martin Vieweg