Voor de ontwikkeling van dieren, niets - met uitzondering van DNA - kan belangrijker zijn dan zuurstof in de atmosfeer.

Zuurstof maakt de chemische reacties mogelijk die dieren gebruiken om energie te halen uit opgeslagen koolhydraten - uit voedsel. Het kan dus geen toeval zijn dat dieren verschenen en evolueerden tijdens de "Cambrische explosie, " die ongeveer 500 miljoen jaar geleden samenviel met een piek in zuurstof in de lucht.

Het was tijdens de Cambrische explosie dat de meeste van de huidige dierenontwerpen verschenen.

Bij groene planten, fotosynthese scheidt koolstofdioxide in moleculaire zuurstof (die vrijkomt in de atmosfeer), en koolstof (die wordt opgeslagen in koolhydraten).

Maar fotosynthese bestond al minstens 2,5 miljard jaar. Dus wat was de oorzaak van de plotselinge piek in zuurstof tijdens het Cambrium?

Een studie nu online in het februarinummer van Aardse en planetaire wetenschapsbrieven verbindt de stijging van zuurstof met een snelle toename van de begraving van sediment met grote hoeveelheden koolstofrijke organische stof. De sleutel, zegt co-auteur Shanan Peters, een professor in de geowetenschappen aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, is te erkennen dat sedimentopslag de oxidatie van koolstof blokkeert.

Zonder begrafenis, deze oxidatiereactie zorgt ervoor dat dood plantaardig materiaal op het aardoppervlak verbrandt. Dat zorgt ervoor dat de koolstof die het bevat, die ontstaan ​​is in de atmosfeer, binden met zuurstof om koolstofdioxide te vormen. En om zuurstof op te bouwen in onze atmosfeer, plantaardig organisch materiaal moet worden beschermd tegen oxidatie.

En dat is precies wat er gebeurt als organisch materiaal, de grondstof van steenkool, olie en aardgas - wordt begraven door geologische processen.

Om dit geval te maken, Peters en zijn postdoctorale collega Jon Husson hebben een unieke dataset gedolven genaamd Macrostrat, een opeenstapeling van geologische informatie over Noord-Amerika, waarvan de constructie Peters al 10 jaar het brein is.

De parallelle grafieken van zuurstof in de atmosfeer en sedimentbegraving, gebaseerd op de vorming van sedimentair gesteente, duiden op een relatie tussen zuurstof en sediment. Beide grafieken tonen een kleinere piek van 2,3 miljard jaar geleden en een grotere ongeveer 500 miljoen jaar geleden.

"Het is een correlatie, maar ons argument is dat er mechanistische verbanden zijn tussen geologie en de geschiedenis van zuurstof in de lucht, "zegt Husson. "Als je sediment opslaat, het bevat organisch materiaal dat is gevormd door fotosynthese, die kooldioxide omzet in biomassa en zuurstof afgeeft aan de atmosfeer. Begrafenis verwijdert de koolstof van het aardoppervlak, voorkomen dat het moleculaire zuurstof bindt die uit de atmosfeer wordt gehaald."

Sommige van de pieken in het begraven van sediment die Husson en Peters identificeerden, vielen samen met de vorming van uitgestrekte velden met fossiele brandstoffen die vandaag nog steeds worden gedolven. waaronder het olierijke Perm Basin in Texas en de Pennsylvania kolenvelden van Appalachia.

"Het begraven van de sedimenten die fossiele brandstoffen werden, was de sleutel tot geavanceerd dierenleven op aarde, "Pieter zegt, opmerkend dat meercellig leven grotendeels een creatie is van het Cambrium.

Vandaag, het verbranden van miljarden tonnen opgeslagen koolstof in fossiele brandstoffen verwijdert grote hoeveelheden zuurstof uit de atmosfeer, het omkeren van het patroon dat de stijging van zuurstof veroorzaakte. En zo daalt het zuurstofgehalte in de atmosfeer naarmate de concentratie koolstofdioxide stijgt.

De gegevens over Noord-Amerika in Macrostrat weerspiegelen het werk van duizenden geowetenschappers gedurende meer dan een eeuw. De huidige studie heeft alleen betrekking op Noord-Amerika, omdat er nog geen uitgebreide databases bestaan ​​over de overige 80 procent van het continentale aardoppervlak.

De uiteindelijke geologische oorzaak voor de versnelde sedimentopslag die de twee zuurstofgolven bevorderde, blijft duister. "Er zijn veel ideeën om de verschillende fasen van zuurstofconcentratie te verklaren, Husson geeft toe. "We vermoeden dat er diepgewortelde veranderingen in de beweging van tektonische platen of warmtegeleiding of circulatie in de mantel in het spel zijn, maar we hebben op dit moment geen verklaring."

Met een stuk met trilobieten bezaaide Ordovicische schalie die ongeveer 450 miljoen jaar geleden werd gevormd, Pieters vraagt, "Waarom is er zuurstof in de atmosfeer? De verklaring van de middelbare school is 'fotosynthese'. Maar we weten al lang, helemaal teruggaand naar de geoloog uit Wisconsin (en president van de Universiteit van Wisconsin), Thomas Chrowder Chamberlin, dat het opbouwen van zuurstof de vorming van rotsen zoals deze zwarte leisteen vereist, die rijk genoeg kan zijn aan koolstof om daadwerkelijk te verbranden. De organische koolstof in deze schalie is door fotosynthese uit de atmosfeer gefixeerd, en zijn begraving en bewaring in dit gesteente bracht moleculaire zuurstof vrij."

Wat is er nieuw in de huidige studie, Husson zegt, is de mogelijkheid om deze relatie te documenteren in een brede database die 20 procent van het landoppervlak van de aarde beslaat.

Voortdurende begraving van koolstof is nodig om de atmosfeer met zuurstof op te pompen. Vele paden op het aardoppervlak, Husson merkt op, zoals oxidatie van ijzer - roest - verbruiken vrije zuurstof. "Het geheim van zuurstof in de atmosfeer is om een ​​klein deel van de huidige biomassa te verwijderen en het op te slaan in sedimentaire afzettingen. Dat is wat er gebeurde toen fossiele brandstoffen werden afgezet."