De hoeveelheid biomassa - leven - in de oude oceanen van de aarde kan beperkt zijn geweest door de lage recycling van de belangrijkste voedingsstof fosfor, volgens nieuw onderzoek van de Universiteit van Washington en de Universiteit van St. Andrews in Schotland.

Het onderzoek, online gepubliceerd op 22 november in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , geeft ook commentaar op de rol van vulkanisme bij het ondersteunen van de vroege biosfeer van de aarde - en kan zelfs van toepassing zijn op het zoeken naar leven op andere werelden.

De hoofdauteur van het artikel is Michael Kipp, een UW-promovendus in Aard- en ruimtewetenschappen; co-auteur is Eva Stüeken, een research fellow aan de University of St. Andrews en voormalig UW postdoctoraal onderzoeker. Roger Buick, UW hoogleraar Aard- en ruimtewetenschappen, adviseerde de onderzoekers.

Hun doel, Kip zei, was om theoretische modellen te gebruiken om te bestuderen hoe de fosforniveaus in de oceaan in de loop van de geschiedenis van de aarde zijn veranderd.

"We waren geïnteresseerd in fosfor omdat men denkt dat het de voedingsstof is die de hoeveelheid leven in de oceaan beperkt, samen met koolstof en stikstof, "zei Kipp. "Je verandert het relatieve aantal daarvan en je verandert, in principe, de hoeveelheid biologische productiviteit."

Kipp zei dat hun model aantoont dat het vermogen van fosfor om te worden gerecycled in de oude oceaan "veel lager was dan vandaag, misschien in de orde van 10 keer minder."

Al het leven heeft overvloedig voedsel nodig om te gedijen, en het chemische element fosfor - dat als fosfaat uit rivieren in de oceaan spoelt - is een belangrijke voedingsstof. Eenmaal in de oceaan, fosfor wordt verschillende keren gerecycled omdat organismen zoals plankton of eukaryote algen die het "eten" op hun beurt door andere organismen worden geconsumeerd.

"Omdat deze organismen de fosfor gebruiken, zij worden op hun beurt begraasd, of ze sterven en andere bacteriën breken hun organische stof af, " zei Kip, "en ze geven een deel van die fosfor terug in de oceaan. Het fietst er eigenlijk meerdere keren doorheen, " waardoor de vrijgekomen fosfor zich ophoopt in de oceaan. De hoeveelheid recycling is een belangrijke controle op de hoeveelheid totale fosfor in de oceaan, die op zijn beurt het leven ondersteunt.

Buick legde uit:"Elke tuinier weet dat zijn planten maar klein en schraal groeien zonder fosfaatmeststof. Hetzelfde geldt voor het fotosynthetische leven in de oceanen, waar de fosfaatmeststof grotendeels afkomstig is van fosfor dat vrijkomt bij de afbraak van dood plankton."

Maar voor dit alles is zuurstof nodig. In de huidige zuurstofrijke oceanen, bijna alle fosfor wordt op deze manier gerecycled en er valt weinig op de oceaanbodem. Enkele miljarden jaren geleden, in het Precambrium, echter, er was weinig of geen zuurstof in de omgeving.

"Er zijn enkele alternatieven voor zuurstof die bepaalde bacteriën zouden kunnen gebruiken, zei co-auteur Stüeken. "Sommige bacteriën kunnen voedsel verteren met sulfaat. Anderen gebruiken ijzeroxiden." sulfaat, ze zei, was de belangrijkste controle op fosforrecycling in het Precambrium.

"Onze analyse laat zien dat deze alternatieve routes de dominante route waren voor fosforrecycling in het Precambrium, toen de zuurstof erg laag was, " zei Stüeken. "Echter, ze zijn veel minder effectief dan vertering met zuurstof, wat betekent dat slechts een kleinere hoeveelheid biomassa kon worden vergist. Als gevolg hiervan, er zou veel minder fosfor zijn hergebruikt, en daarom zou de totale biologische productiviteit zijn onderdrukt ten opzichte van vandaag."

Kipp vergeleek de zuurstofarme oceaan van de vroege aarde met een soort 'ingeblikte' omgeving, met afgesloten zuurstof:"Het is een gesloten systeem. Als je teruggaat naar de vroege Precambrische oceanen, er gebeurt niet veel op het gebied van biologische activiteit."

Stüeken merkte op dat vulkanen de grootste bron van sulfaat waren in het Precambrium, in tegenstelling tot nu, en dus waren ze nodig om een ​​belangrijke biosfeer in stand te houden door fosforrecycling mogelijk te maken.

In feite, minus dergelijk vulkanisch sulfaat, Stueken zei, De biosfeer van de aarde zou heel klein zijn geweest, en misschien niet meer dan miljarden jaren hebben overleefd. De bevindingen, dan, illustreren "hoe sterk het leven is verbonden met fundamentele geologische processen zoals vulkanisme op de vroege aarde, " ze zei.

De modellering van Kipp en Stüeken kan ook gevolgen hebben voor de zoektocht naar leven buiten de aarde.

Astronomen zullen opkomende grond- en ruimtetelescopen gebruiken, zoals de James Webb Space Telescope, klaar voor lancering in 2019, om te zoeken naar de impact van een mariene biosfeer, zoals de aarde heeft, op de atmosfeer van een planeet. Maar weinig fosfor, zeggen de onderzoekers, zou ervoor kunnen zorgen dat een bewoonde wereld onbewoond lijkt - een soort 'vals-negatief' maken.

Kip zei, "Als er minder leven is - eigenlijk, minder fotosynthetische output - het is moeilijker om zuurstof in de lucht te verzamelen dan wanneer je moderne fosforniveaus en productiesnelheden zou hebben. Dit zou kunnen betekenen dat sommige planeten onbewoond lijken vanwege hun gebrek aan zuurstof, maar in werkelijkheid hebben ze biosferen die in omvang beperkt zijn vanwege de lage fosforbeschikbaarheid.

"Deze 'valse negatieven' zijn een van de grootste uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd bij het zoeken naar leven elders, " zei Victoria Meadows, UW-hoogleraar astronomie en hoofdonderzoeker van het Virtual Planetary Laboratory van het NASA Astrobiology Institute, gevestigd aan de UW.

"Maar onderzoek naar de vroege omgevingen van de aarde vergroot onze kans op succes door processen en planetaire eigenschappen te onthullen die onze zoektocht naar leven op nabijgelegen exoplaneten leiden."