Gedurende drie miljard jaar of meer, de evolutie van het eerste dierenleven op aarde stond op het punt te gebeuren, praktisch in de coulissen wachten. Maar de ademende zuurstof die het nodig had, was er niet, en een gebrek aan eenvoudige voedingsstoffen kan de schuld zijn geweest.

Toen kwam er een felle planetaire metamorfose. Ongeveer 800 miljoen jaar geleden, in de late Proterozoïcum Eon, fosfor, een chemisch element dat essentieel is voor al het leven, begon zich op te hopen in ondiepe oceaanzones nabij kustlijnen die algemeen worden beschouwd als de geboorteplaats van dieren en andere complexe organismen, volgens een nieuwe studie door geowetenschappers van het Georgia Institute of Technology en Yale University.

Samen met de ophoping van fosfor kwam er een wereldwijde chemische kettingreactie, die andere voedingsstoffen bevatten, die organismen aandreef om zuurstof in de atmosfeer en oceanen te pompen. Kort na die overgang golven van klimaatextremen overspoelden de wereld, het meer dan twee keer bevriezen voor tientallen miljoenen jaren elke keer, een hoog aangeschreven theorie geldt. De verhoogde beschikbaarheid van voedingsstoffen en versterkte zuurstof voedde waarschijnlijk ook de grootste sprong voorwaarts van de evolutie.

Na miljarden jaren, waarin het leven bijna geheel uit eencellige organismen bestond, dieren evolueerden. Aanvankelijk, ze waren uiterst eenvoudig, die lijkt op de sponzen of kwallen van vandaag, maar de aarde was op weg van zijn, voor eonen, een planeet die minder gastvrij is voor complex leven om er een te worden die er vol van is.

Het ware ontstaan ​​van de aarde

In de laatste paar honderd miljoen jaar, de biodiversiteit is tot bloei gekomen, leidend tot dichte oerwouden en graslanden die weergalmen van dierengeluiden, en wateren kronkelend met elke vorm van vin en kleur van schaal. En bijna elke ontwikkelingsfase heeft zijn sporen achtergelaten in het fossielenbestand.

De onderzoekers zorgen ervoor dat ze niet impliceren dat fosfor noodzakelijkerwijs de kettingreactie veroorzaakte, maar in sedimentair gesteente uit kustgebieden, de voedingsstof heeft de plek gemarkeerd waar die uitbarsting van leven en klimaatverandering begon. "De timing is zeker opvallend, " zei Chris Reinhard, een assistent-professor aan de Georgia Tech's School of Earth and Atmospheric Sciences.

Reinhard en Noah Planavsky, een geochemicus van Yale University, die samen het onderzoek leidden, records hebben gedolven van sedimentair gesteente dat is gevormd in oude kustgebieden, laag voor laag dalend tot 3,5 miljard jaar geleden, om te berekenen hoe de cyclus van de essentiële meststof fosfor evolueerde en hoe het een grote rol leek te spelen in een ware genese.

Ze merkten een opmerkelijke congruentie op toen ze omhoog trokken door de schalielagen naar de tijdsperiode waarin het dierenleven begon, in de late Proterozoïcum Eon.

"De meest fundamentele verandering was van een zeer beperkte beschikbaarheid van fosfor naar een veel hogere beschikbaarheid van fosfor in oppervlaktewateren van de oceaan, "Zei Reinhard. "En de overgang leek precies plaats te vinden rond de tijd dat er zeer grote veranderingen waren in de zuurstofniveaus van de oceaanatmosfeer en net voor de opkomst van dieren."

Fosfor op het strand

Reinhard en Planavsky, samen met een internationaal team, hebben voorgesteld dat het wegvangen van voedingsstoffen in een anoxische (bijna O2-vrije) wereld de fotosynthetische organismen belemmerde die anders al minstens twee miljard jaar klaar waren om voorraden zuurstof aan te maken. Toen werd dat uitgebalanceerde systeem verstoord en oceanische fosfor vond zijn weg naar de kustwateren.

De wetenschappers publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Natuur op woensdag, 21 december 2016. Hun onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation, het NASA Astrobiologisch Instituut, de Sloan Foundation en de Japan Society for the Promotion of Science.

Het werk geeft een nieuwe kijk op de factoren die het leven mogelijk maakten om de atmosfeer van de aarde te hervormen. Het helpt een basis te leggen die wetenschappers kunnen toepassen om voorspellingen te doen over wat het leven in staat zou stellen de atmosferen van exoplaneten te veranderen, en kan diepere studies inspireren, hier op aarde, van hoe oceanisch-atmosferische chemie klimaatinstabiliteit veroorzaakt en de opkomst en ondergang van het leven door de eeuwen heen beïnvloedt.

cyanobacteriën, de moeder van O2

Complexe levende wezens, inclusief dieren, hebben meestal een enorm metabolisme en hebben voldoende O2 nodig om het aan te drijven. De evolutie van dieren is ondenkbaar zonder.

Het pad om te begrijpen hoe een tekort aan voedingsstoffen de productie van ademende zuurstof zou uithongeren, leidt terug naar een heel speciaal soort bacteriën, cyanobacteriën genaamd, de moeder van zuurstof op aarde.

"De enige reden waarom we een goed geoxygeneerde planeet hebben waarop we kunnen leven, is vanwege zuurstofrijke fotosynthese, Planavsky zei. "O2 is het afvalproduct van fotosynthetiserende cellen, zoals cyanobacteriën, het combineren van CO2 en water om suikers op te bouwen."

En fotosynthese is een evolutionaire singulariteit, wat betekent dat het maar één keer in de geschiedenis van de aarde is geëvolueerd - in cyanobacteriën.

Sommige andere biologische fenomenen zijn door de eeuwen heen herhaaldelijk geëvolueerd in tientallen of honderden niet-gerelateerde incidenten, zoals de overgang van eencellige organismen naar rudimentaire meercellige organismen. Maar wetenschappers zijn ervan overtuigd dat zuurstof fotosynthese slechts deze ene keer in de geschiedenis van de aarde is geëvolueerd, alleen in cyanobacteriën, en alle planten en andere wezens op aarde die fotosynthetiseren, hebben de ontwikkeling gecoöpteerd.

Het ijzeren anker

Cyanobacteriën worden gecrediteerd voor het vullen van de atmosfeer van de aarde met O2, en ze bestaan ​​al 2,5 miljard jaar of meer.

Dat roept de vraag op:wat heeft zo lang geduurd? Basisvoedingsstoffen die de bacteriën voedden, waren niet direct beschikbaar, de wetenschapper veronderstelt. de fosfor, die Planavsky en Reinhard specifiek volgden, miljarden jaren in de oceaan lag, te, maar het was op de verkeerde plaatsen vastgebonden.

Eeuwenlang, het mineraal ijzer, die ooit verzadigde oceanen, waarschijnlijk gebonden met fosfor, en zonk het naar de donkere diepten van de oceaan, ver weg van die ondiepten - ook wel continentale randen genoemd - waar cyanobacteriën het nodig hadden om te gedijen en zuurstof te maken. Zelfs vandaag, ijzer wordt gebruikt voor de behandeling van met kunstmest vervuild water om fosfor te verwijderen door het als diep sediment te laten zinken.

De onderzoekers gebruikten ook een geochemisch model om te laten zien hoe een wereldwijd systeem met een hoge ijzerconcentratie en lage fosforbeschikbaarheid in combinatie met een lage stikstofbeschikbaarheid in ondiepe oceaanbodems zichzelf zou kunnen bestendigen in een zuurstofarme wereld.

"Het lijkt zo'n stabiel planetenstelsel te zijn geweest, " zei Reinhard. "Maar het is duidelijk niet de planeet waarop we nu leven, dus de vraag is, hoe zijn we overgegaan van deze zuurstofarme toestand naar waar we nu zijn?"

Wat die verandering uiteindelijk veroorzaakte, is een vraag voor toekomstig onderzoek.

Fosfor startpistool

Maar ongeveer 800 miljoen jaar geleden veranderde er iets, en cyanobacteriën en andere minuscule organismen in ecosystemen aan de continentale rand kregen meer fosfor, de ruggengraat van DNA en RNA, en een hoofdrolspeler in het celmetabolisme. De bacteriën werden actiever, sneller gereproduceerd, at veel meer fosfor en maakte veel meer O2.

"Fosfor is niet alleen essentieel voor het leven, "Zei Planavsky. "Wat impliciet in dit alles is, is:het kan de hoeveelheid leven op onze planeet beheersen."

Toen de nieuw vermenigvuldigde bacteriën stierven, ze vielen op de bodem van die ondiepten van de oceaan, laag voor laag opstapelen om te vergaan en de modder te verrijken met fosfor. De modder werd uiteindelijk samengeperst tot steen.

"Naarmate de biomassa in fosforgehalte toenam, hoe meer ervan in lagen sedimentair gesteente terechtkwam, " zei Reinhard. "Aan wetenschappers, die schalie is de pagina's van het geschiedenisboek van de zeebodem."

Wetenschappers hebben ze tientallen jaren doorgenomen, gegevens samenstellen. Planavsky en Reinhard analyseerden ongeveer 15, 000 rockplaten voor hun studie.

"De eerste compilatie die we hiervan hadden, waren slechts 600 samples, ' zei Planavsky. Reinhard voegde eraan toe:"Maar je kon het toen al zien. De fosforschok was zo helder als de dag. En naarmate de database groter werd, het fenomeen werd meer verankerd."

Dat eerste signaal van fosfor in het ondiepe water van de kust van de aarde duikt op in het schalie-record als een schot uit een startpistool in de race om overvloedig leven.