Wij en alle andere dieren zouden hier vandaag niet zijn als onze planeet niet veel zuurstof in de atmosfeer en oceanen had. Maar hoe cruciaal waren hoge zuurstofniveaus voor de overgang van eenvoudig, eencellige levensvormen tot de complexiteit die we vandaag zien?

Een studie van de Universiteit van Californië, Geochemici van Berkeley presenteren nieuw bewijs dat hoge zuurstofniveaus niet cruciaal waren voor de oorsprong van dieren.

De onderzoekers ontdekten dat de overgang naar een wereld met een zuurstofrijke diepe oceaan tussen 540 en 420 miljoen jaar geleden plaatsvond. Ze schrijven dit toe aan een toename van de atmosferische O2 tot niveaus die vergelijkbaar zijn met de 21 procent zuurstof in de atmosfeer van vandaag.

Deze veronderstelde stijging komt honderden miljoenen jaren na het ontstaan ​​van dieren, die tussen 700 en 800 miljoen jaar geleden plaatsvond.

"De oxygenatie van de diepe oceaan en onze interpretatie hiervan als het resultaat van een stijging van de atmosferische O2 was een vrij late gebeurtenis in de context van de geschiedenis van de aarde, " zei Daniël Stolper, een assistent-professor aard- en planetaire wetenschap aan UC Berkeley. "Dit is belangrijk omdat het nieuw bewijs levert dat het ontstaan ​​van vroege dieren, die O2 nodig hadden voor hun metabolisme, kan zijn gebeurd in een wereld met een atmosfeer met relatief lage zuurstofniveaus in vergelijking met vandaag."

Hij en postdoctoraal fellow Brenhin Keller zullen hun bevindingen rapporteren in een paper die op 3 januari online wordt geplaatst voorafgaand aan publicatie in het tijdschrift Natuur . Keller is ook verbonden aan het Berkeley Geochronology Center.

Zuurstof heeft een sleutelrol gespeeld in de geschiedenis van de aarde, niet alleen vanwege het belang ervan voor organismen die zuurstof inademen, maar vanwege zijn neiging om te reageren, vaak gewelddadig, met andere verbindingen om, bijvoorbeeld, ijzer roest maken, planten branden en aardgas explodeert.

Het volgen van de zuurstofconcentratie in de oceaan en de atmosfeer gedurende de geschiedenis van 4,5 miljard jaar van de aarde, echter, is niet gemakkelijk. Gedurende de eerste 2 miljard jaar de meeste wetenschappers geloven dat er heel weinig zuurstof aanwezig was in de atmosfeer of de oceaan. Maar ongeveer 2,5-2,3 miljard jaar geleden, atmosferische zuurstofniveaus eerst verhoogd. De geologische effecten hiervan zijn duidelijk:rotsen op het land blootgesteld aan de atmosfeer begonnen plotseling rood te worden toen het ijzer erin reageerde met zuurstof om ijzeroxiden te vormen, vergelijkbaar met hoe ijzermetaal roest.

Aardwetenschappers hebben berekend dat rond deze tijd, het zuurstofgehalte in de lucht overschreed eerst ongeveer honderdduizendste van het huidige niveau (0,001 procent), maar bleef te laag om de diepe oceaan van zuurstof te voorzien, die grotendeels anoxisch bleef.

Tegen 400 miljoen jaar geleden, fossiele houtskoolafzettingen verschijnen voor het eerst, een indicatie dat de atmosferische O2-niveaus hoog genoeg waren om bosbranden te ondersteunen, die ongeveer 50 tot 70 procent van de moderne zuurstofniveaus nodig hebben, en de diepe oceaan van zuurstof voorzien. Hoe de zuurstofniveaus in de lucht varieerden tussen 2, 500 en 400 miljoen jaar geleden is minder zeker en blijft onderwerp van discussie.

"Het invullen van de geschiedenis van de atmosferische zuurstofniveaus van ongeveer 2,5 miljard tot 400 miljoen jaar geleden was van groot belang, gezien de centrale rol van O2 in tal van geochemische en biologische processen. een verklaring voor waarom dieren verschijnen wanneer ze dat doen, is omdat de zuurstofniveaus toen voor het eerst de hoge atmosferische concentraties benaderden die we tegenwoordig zien, "Zei Stolper. "Deze verklaring vereist dat de twee causaal met elkaar verbonden zijn, zodat de verandering naar bijna-moderne atmosferische O2-niveaus een milieu-driver was voor de evolutie van onze zuurstof-eisende voorgangers."

In tegenstelling tot, sommige onderzoekers denken dat de twee gebeurtenissen grotendeels niets met elkaar te maken hebben. Cruciaal voor het helpen oplossen van dit debat is het vaststellen wanneer het zuurstofgehalte in de lucht is gestegen tot bijna moderne niveaus. Maar eerdere schattingen van wanneer deze oxygenatie plaatsvond, variëren van 800 tot 400 miljoen jaar geleden, over de periode waarin dieren zijn ontstaan.

Wanneer zijn de zuurstofniveaus voor de tweede keer veranderd?

Stolper en Keller hoopten een belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de aarde aan te wijzen:toen het zuurstofgehalte hoog genoeg werd - ongeveer 10 tot 50 procent van het huidige niveau - om de diepe oceaan van zuurstof te voorzien. Hun benadering is gebaseerd op het kijken naar de oxidatietoestand van ijzer in stollingsgesteenten gevormd onderzeese (aangeduid als "onderzeeër") vulkaanuitbarstingen, die "kussens" en enorme stromen basalt produceren als het gesmolten gesteente uit de oceaanruggen wordt geëxtrudeerd. Kritisch, na de uitbarsting, zeewater circuleert door de rotsen. Vandaag, deze circulerende vloeistoffen bevatten zuurstof en oxideren het ijzer in basalt. Maar in een wereld met diepe oceanen zonder O2, ze verwachtten weinig verandering in de oxidatietoestand van ijzer in de basalt na de uitbarsting.

"Ons idee was om de geschiedenis van de oxidatietoestand van ijzer in deze basalt te bestuderen en te kijken of we konden vaststellen wanneer het ijzer tekenen van oxidatie begon te vertonen en dus wanneer de diepe oceaan voor het eerst aanzienlijke hoeveelheden opgeloste O2 begon te bevatten, ' zei Stolper.

Om dit te doen, ze verzamelden meer dan 1, 000 gepubliceerde metingen van de oxidatietoestand van ijzer uit oude onderzeese basalt. Ze ontdekten dat het basaltijzer pas significant geoxideerd wordt ten opzichte van magmatische waarden tussen ongeveer 540 en 420 miljoen jaar geleden, honderden miljoenen jaren na het ontstaan ​​van dieren. Ze schrijven deze verandering toe aan de stijging van de atmosferische O2-niveaus tot bijna moderne niveaus. Deze bevinding komt overeen met sommige maar niet alle geschiedenissen van atmosferische en oceanische O2-concentraties.

"Dit werk geeft aan dat een verhoging van de atmosferische O2 tot niveaus die voldoende zijn om de diepe oceaan van zuurstof te voorzien en een wereld te creëren die vergelijkbaar is met de wereld die we vandaag zien, niet nodig was voor de opkomst van dieren, " zei Stolper. "Bovendien, het onderzeese basaltrecord biedt een nieuwe, kwantitatief venster in de geochemische toestand van de diepe oceaan honderden miljoenen tot miljarden jaren geleden."