Een model dat simuleert hoe de zuurstofproducerende cyanobacteriën op aarde in de loop van de tijd evolueerden, heeft het keerpunt geïdentificeerd waarop enorme hoeveelheden van het vitale gas de atmosfeer van onze planeet begonnen te vullen, waardoor de diversificatie en proliferatie van complexe levensvormen mogelijk werd.

Wetenschappers hebben verschillende verklaringen voorgesteld voor wat bekend staat als de Great Oxidation Event (GOE) – de plotselinge toename van het zuurstofniveau die ongeveer 2,3 miljard jaar geleden begon en waarschijnlijk verband hield met de opkomst en verspreiding van cyanobacteriën. Maar de precieze manier waarop zuurstof vanuit lage niveaus steeg en de atmosfeer van de aarde domineerde, is onduidelijk.

‘Eerdere studies hebben verschillende ideeën naar voren gebracht over hoe dit plaatsvond, maar ze misten over het algemeen het vermogen om te onderzoeken hoe het zich ontwikkelende ecosysteem zou kunnen terugwerken op de omgeving en de dynamiek zou kunnen beïnvloeden’, zegt Jacky Austermann, een astrobioloog aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. Angeles. "Hier laten we zien dat zodra zuurstofproducerende cyanobacteriën een bepaalde concentratie bereiken, ze feitelijk in staat zijn de planeet in een door zuurstof gedomineerde toestand te brengen."

Cyanobacteriën, een van de eerste micro-organismen, worden in bijna elk ecosysteem op aarde aangetroffen en staan ​​bekend als ‘blauwgroene algen’ vanwege hun pigmentkleur en het vermogen om fotosynthese uit te voeren – een proces dat de energie van de zon gebruikt om koolstofdioxide en water om te zetten in suikers.

Een bijproduct van fotosynthese is zuurstof. De huidige atmosfeer bestaat voor 21 procent uit zuurstof, waarvan wordt aangenomen dat het grootste deel ervan in de loop van miljoenen jaren is gegenereerd door oude fotosynthesizers.

Wat niet bekend is, is waarom de atmosfeer zo zuurstofarm was voordat cyanobacteriën verschenen – naar schatting was dit minder dan 0,1 procent van het huidige niveau, hoewel zelfs dat voldoende is om eenvoudige levensvormen te ondersteunen.

Om deze vraag te beantwoorden, ontwikkelden Austermann en collega's een model om de opkomst en verspreiding van cyanobacteriën in de oceanen te onderzoeken, en simuleerden ze de omstandigheden waarin de oceanen zouden overgaan naar een dominantie door zuurstof.

Het team begon met het ontwikkelen van een model van een oceaan met daarin de eenvoudigste levensvormen, die geen zuurstof produceerden. Vervolgens introduceerden ze een beperkt aantal cyanobacteriën, waarvan de populaties begonnen te groeien naarmate de fotosynthese hen ertoe aanzette de beschikbare hulpbronnen te exploiteren.

De onderzoekers voerden hun model meerdere keren uit, waarbij ze het aantal aanvankelijke cyanobacteriën en de snelheid van verschillende biochemische processen, zoals fotosynthese, verwering en het zuurstofverbruik van andere microben, varieerden.

Ze ontdekten dat er een kritische drempel is voor de concentratie van cyanobacteriën waarboven de oceanen een snelle en onomkeerbare overgang ondergaan van gedomineerd door niet-zuurstofproducerende organismen naar gedomineerd door cyanobacteriën.

Hoewel de exacte bevolkingsdichtheid bij deze drempel onder verschillende omstandigheden zou kunnen variëren, berekende het team dat hiervoor de totale biomassa van cyanobacteriën nodig was om ongeveer een tienduizendste van de totale organische koolstof – de bouwstenen van alle levende organismen – in het ecosysteem te bereiken.

"Als slechts een kleine hoeveelheid cyanobacteriën een op hol geslagen zuurstoftoename kan genereren, zou dat de relatief abrupte aard van de GOE in het geologische record kunnen verklaren", zegt Benjamin Johnson, een paleobioloog ook aan de UCLA.

Hun model identificeerde ook de factoren die het meest verantwoordelijk waren voor de Grote Oxidatie:deze was het meest gevoelig voor de sterkte van chemische verwering en de concentratie van bepaalde soorten ijzeroxiderende bacteriën.

De onderzoekers zeggen dat de volgende stap is om andere scenario's te onderzoeken dan de eenvoudige exponentiële groeisnelheid van cyanobacteriële populaties die ze hier hebben gebruikt, en om de feedbackeffecten van andere componenten van de koolstofcyclus te onderzoeken.