Het ontcijferen van de oude atmosfeer van de aarde: de rol van het leven bij het vormgeven van onze wereld

Over 500 miljoen jaar hebben de atmosfeer, de oceanen en het leven op aarde samen geëvolueerd, waardoor de omstandigheden voor organismen zijn verbeterd. Wetenschappers hebben ontdekt dat oceaanalgen koolstofdioxide en zuurstofniveaus reguleerden, waardoor fotosynthese en habitatverbetering werden bevorderd. Toekomstig onderzoek zal oceanische zuurstofpatronen en fotosynthese-biomarkers in fossiele gegevens in kaart brengen. Credit: SciTechDaily.com

Een recent wetenschappelijk onderzoek traceert de co-evolutie van de aardatmosfeer, oceanen en het leven gedurende 500 miljoen jaar, waarbij wordt onthuld hoe organismen zoals algen zijn aangepast en zich hebben aangepast aan veranderende milieuomstandigheden en uiteindelijk de bewoonbaarheid van de aarde hebben verbeterd.

De interacties tussen de atmosfeer, de oceanen en het leven op aarde in de afgelopen 500 miljoen jaar hebben omstandigheden gecreëerd die de vroege organismen in staat stelden om te gedijen. Een interdisciplinair team van wetenschappers heeft nu een perspectiefartikel gepubliceerd over deze co-evolutionaire geschiedenis in het multidisciplinaire open-access tijdschrift National Science Review.

"Een van onze taken was om de belangrijkste ontdekkingen over koolstofdioxide en zuurstof in de atmosfeer en oceanen gedurende de afgelopen 500 miljoen jaar samen te vatten," zegt Zunli Lu, hoogleraar geochemie aan de Syracuse University en hoofdauteur van het artikel. "We hebben bekeken hoe deze fysieke veranderingen de evolutie van het leven in de oceaan hebben beïnvloed. Maar het is wederzijds. De evolutie van het leven heeft ook invloed gehad op de chemische omgeving. Het is geen eenvoudige taak om te begrijpen hoe je een bewoonbare aarde op lange tijdschalen kunt opbouwen"

Het team van de Syracuse University, de Universiteit van Oxford en de Stanford University heeft de complexe feedbackmechanismen bestudeerd tussen oude levensvormen, waaronder planten en dieren, en de chemische omgeving in het huidige Phanerozoïcum, dat ongeveer 540 miljoen jaar geleden begon.

Aan het begin van het Phanerozoïcum waren de niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer hoog en de zuurstofniveaus laag. Een dergelijke omstandigheid zou moeilijk zijn voor veel moderne organismen om te gedijen. Maar oceaanalgen veranderden dat. Ze absorbeerden koolstofdioxide uit de atmosfeer, sloten het op in organisch materiaal en produceerden zuurstof door fotosynthese.

De mogelijkheid voor dieren om te leven in een oceaanomgeving werd beïnvloed door de zuurstofniveaus. Lu onderzoekt waar en wanneer de zuurstofniveaus in de oceaan tijdens het Phanerozoïcum kunnen zijn gestegen of gedaald met behulp van geochemische proxies en modelmatige simulaties. Co-auteur Jonathan Payne, hoogleraar aard- en planetenwetenschappen aan de Stanford University, vergelijkt de geschatte metabole behoeften van een oud dier met plaatsen waar het in het fossielenbestand heeft overleefd of is verdwenen.

Naarmate fotosynthetische algen atmosferisch koolstof verwijderden in sedimentaire gesteenten om koolstofdioxide te verlagen en de zuurstofniveaus te verhogen, werden de enzymen van de algen minder efficiënt in het vastleggen van koolstof. Daarom moesten algen ingewikkeldere manieren bedenken om fotosynthese te doen bij lagere koolstofdioxide- en hogere zuurstofniveaus. Dit deden ze door interne compartimenten voor fotosynthese met controle over de chemie te creëren.

"Voor algen lijken veranderingen in de milieuratio van O2/CO2 cruciaal te zijn om de fotosynthetische efficiëntie te verbeteren," zegt co-auteur Rosalind Rickaby, hoogleraar geologie aan Oxford. "Wat echt intrigerend is, is dat deze verbeteringen in fotosynthetische efficiëntie de chemische omgeving van bewoonbaarheid voor veel levensvormen hebben kunnen vergroten."

Oude fotosynthetische organismen moesten zich aanpassen aan veranderingen in de fysieke omgeving die ze zelf hadden gecreëerd, merkt Lu op. "Het eerste deel van de geschiedenis van het Phanerozoïcum is het vergroten van de bewoonbaarheid voor het leven, en dan is het tweede deel de aanpassing."

Als wetenschappers deze wisselwerking tussen leven en de fysieke omgeving verder willen begrijpen, evenals de drijvende en beperkende factoren van bewoonbaarheid, suggereren de auteurs dat het in kaart brengen van de ruimtelijke patronen van oceanische zuurstof, biomarkers voor fotosynthese en metabole tolerantie van dieren die in fossiele gegevens worden getoond, een belangrijke toekomstige onderzoeksrichting zal zijn.

Referentie: "Phanerozoic co-evolution of O2-CO2 and ocean habitability" door Zunli Lu, Rosalind E M Rickaby, Jonathan L Payne en Ashley N Prow, 15 maart 2024, National Science Review. DOI: 10.1093/nsr/nwae099