Een anomalie in de koolstofcyclus die is ontdekt in carbonaatgesteenten van de Neoproterozoïsche Hüttenberg-formatie in het noordoosten van Namibië, volgt een patroon dat vergelijkbaar is met dat gevonden direct na de Great Oxygenation Event, hintend naar nieuw bewijs voor hoe de atmosfeer van de aarde volledig zuurstofrijk werd.

Door gebruik te maken van de Hüttenberg-formatie, die tussen een miljard en een half miljard jaar geleden ontstond, om de tijd te bestuderen tussen de verandering van de aarde van een zuurstofloze omgeving (d.w.z. een omgeving zonder zuurstof) naar een meer gastvrije omgeving die het dierenrijk aankondigde, een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Huan Cui van het NASA Astrobiology Institute aan de Universiteit van Wisconsin-Madison ontdekte een aanhoudende, hoog koolstofgehalte. Deze instroom van koolstof, in combinatie met veranderingen in andere elementen, geeft aan hoe veranderende niveaus van oceanische zuurstof een helpende hand kunnen bieden aan de vroege evolutie van dieren.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Precambrian Research, nieuwe zuurstof gekoppeld, zwavel, en strontiumisotoopgegevens, met koolstofisotoopgegevens gepubliceerd in 2009, verkregen uit boorkernmonsters van de Hüttenberg-formatie. Samen, de gegevens leveren verder bewijs dat de zuurstof op aarde stapsgewijs toenam, in plaats van beperkt te zijn tot twee grote gebeurtenissen die het Proterozoïcum afdekken (een geologisch tijdperk dat tussen 2,5 miljard en 541 miljoen jaar geleden duurde). Het resulterende patroon van veranderende redoxreacties (d.w.z. reacties met oxygenatie en reductie via de uitwisseling van elektronen) werd de Hüttenberg-anomalie genoemd, naar de rotsformatie waarin het werd gevonden.

Dr. Alan J. Kaufman van de Universiteit van Maryland, wie is de tweede auteur van de studie en de hoofdauteur van de koolstofisotoopstudie uit 2009, zegt dat de gepaarde gegevens "suggereren dat de stijging van zuurstof oscillerend was tijdens dit interval van 50 tot 75 miljoen jaar geassocieerd met de Hüttenberg-anomalie en de Neoproterozoïsche oxidatiegebeurtenis of NOE aan het einde van het Proterozoïcum."

De anomalie laat zien hoe de koolstofisotoopverhoudingen ( ¹³ C/ ¹² C) ervoer een aanhoudende toename van 12 tot 14 delen per duizend in overvloed gedurende ongeveer 15 miljoen jaar voordat hij terugkeerde naar eerdere lage niveaus. Naarmate het zuurstofgehalte in de oceaan toenam, sulfiden werden omgezet in sulfaten, die sommige microben in hun metabolisme gebruiken om organische koolstof op de zeebodem te verteren en te recyclen. De isotopen van zuurstof, koolstof, en zwavel bewogen samen tijdens de Hüttenberg-anomalie, de wetenschappers ervan te overtuigen dat wat ze zagen niet zomaar toeval was.

Wilde schommelingen

Hoewel al lang wordt aangenomen dat een hoog zuurstofgehalte in de lucht de weg vrijmaakte voor dieren om de aarde te bevolken, wereldwijde koolstof- en zuurstofcycli fluctueerden enorm tijdens het Proterozoïcum, tussen de tijd dat zuurstof zich voor het eerst ophoopte in de atmosfeer tijdens de Great Oxygenation Event (GOE), ongeveer 2,4 miljard jaar geleden, en de tijd waarin ze zich stabiliseerden in de buurt van moderne niveaus toen dieren het wereldtoneel betreden na de NOE, ongeveer 500 miljoen jaar geleden.

In de tijd tussen deze twee gebeurtenissen, pulsen van eencellig leven en variabele zuurstofniveaus in de oceanen worden verondersteld de evolutie van meer complex leven te hebben gestimuleerd. Deze oude zuurstofschommelingen waren cruciaal voor de evolutie van meercellig leven aan de Precambrium-Cambrium-grens (541 miljoen jaar geleden; het Cambrium is een geologische periode die de oorsprong en diversificatie van het complexe dierenleven op aarde markeerde). Toen poelen van zuurstofrijk water in de oceaan groeiden, leven kreeg de kans om zich te ontwikkelen naar een toekomst waarin de zuurstof op een stabiel en hoog niveau zou zijn. De Hüttenberg-anomalie vertegenwoordigt zo'n kans op leven.

Kaufman vergelijkt de sprong in zuurstof met een andere zuurstofoase in de tijd, het Lomagundi-evenement direct na de GOE. De gebeurtenis in Lomagundi is beschreven als een valse start, toen de zuurstofconcentraties stegen tot niveaus die enig leven konden ondersteunen, alvorens weer te verminderen. Het zou pas in de NOE zijn dat zuurstof zou stijgen tot het huidige niveau.

"Hier is een isotoopanomalie in het Neoproterozoïcum die in grote lijnen in de tijd wordt geassocieerd met de NOE, maar die een stijgende en dalende structuur heeft die erg lijkt op de GOE, " vertelt Kaufman aan Astrobiology Magazine. "Aan beide uiteinden van de Proterozoïcum Eon was er continentale scheuring, ijstijden, en diepgaande koolstoffluctuaties; net zoals de GOE waarschijnlijk verantwoordelijk was voor de evolutie van eenvoudige eukaryoten, de NOE was betrokken bij de evolutie van meercelligheid."

Dus de GOE luidde eukaryoten in, dat zijn microben met cellen die een kern bevatten die is omhuld door een membraan, en de NOE luidde nog complexere dieren in. Deze uitzonderlijke gebeurtenissen in de geschiedenis van de aarde herbergden elk een evolutionaire testpool die nieuwe levensvormen bevorderde. Hoe de Hüttenberg-anomalie precies in deze gebeurtenissen past of welke evolutionaire consequentie het precies had, moet nog worden bekeken.

Tijdelijke bewoonbaarheid

In de periode tussen de GOE en de NOE, zakken of bellen van bewoonbaarheid op een grotendeels onbewoonbare planeet zouden opduiken, maar deze blips op de radar waren omkeerbaar. Verschuivende ijskappen of de afwezigheid van erosie zouden elementen zoals stikstof en fosfor verminderen die nodig zijn voor het fotosynthetiseren van leven, waardoor de zuurstof- en koolstofsignaturen verdwijnen. Het omslagpunt zou verschijnen in het Cambrium, toen de planeet constant zuurstofrijk was.

We zien tegenwoordig vergelijkbare effecten van anomalieën; in onze meestal goed geoxygeneerde atmosfeer, er zijn nog steeds zuurstofarme omgevingen waar het leven worstelt om te overleven of een alternatieve evolutionaire weg inslaat:binnenzeeën, ondergrondse grotten en oceanische dode zones waar sulfaat- of nitraatademhalers aanhouden terwijl de rest van de wereld zuurstof inademt.

"Er zijn nog steeds zuurstofloze omgevingen op de moderne aarde, "Huan Cui, eerste auteur van het artikel, zegt. "Als je naar de Zwarte Zee gaat, je kunt nog steeds lokale anoxische omgevingen vinden in de moderne oceaan."

In deze studie was de anomalie zuurstof. Vandaag, de anomalie is een gebrek aan zuurstof.

Terwijl rotsen in andere gebieden van Namibië goed zijn bestudeerd, de rotslagen met de Hüttenberg-anomalie zijn in veel delen uitgehold, waardoor het cruciale datastuk decennialang ontbreekt.

Nog een kijkje nemen

Dr. Paul Myrow, een professor geologie aan het Colorado College die niet betrokken was bij het onderzoek, zegt dat gezien de tijdsdruk die deze studie biedt, meer onderzoekers zullen nu andere oude rotsformaties nader bekijken en opnieuw onderzoeken of deze anomalie elders op de planeet bestaat.

Uitzoeken of de stijging van zuurstof beperkt of wijdverbreid was in de oude oceaan of op verschillende oude continenten, is iets waar elke isotopenstudie rekening mee moet houden.

"Een van de manieren waarop we dat antwoord kunnen krijgen, is om te kijken of het signaal van de Hüttenberg-anomalie kan worden vergeleken met plaatsen over de hele wereld, " Myr, die ook precambrische oceaancondities bestudeert, zegt. "Als er een verschuiving is die tegelijkertijd op verschillende continenten heeft plaatsgevonden, dan kunnen we er zekerder van zijn dat dit wereldwijd is."

In een tijd waarin de oceanische chemie van de planeet, tektonische platen en bewoners waren in zo'n staat van onevenwichtigheid, De zuurstofarme en onstabiele atmosfeer van de aarde kan volgens de huidige normen als enorm gevaarlijk worden beschouwd. Terwijl de aarde veranderde, zijn tienerongemak manifesteerde zich als stinkend, zwavelhoudende putten, harige woonsituaties, humeurige verschuivingen in zijn accommodaties, en oneerbiedigheid jegens zijn medebewoners. De Hüttenberg-anomalie is een kleine stap naar de aarde om zijn vuile was te luchten, opruimen en toonbaar worden voor de levensvormen die zich later ontwikkelden.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.