Er gingen heel wat jaartjes overheen voor er mensen op de Aarde rondliepen. Het begon allemaal met een eencellige microbe, maar voordat dat een meercellige werd moest er eerst een chemisch proces plaatsvinden, genaamd biomineralisatie. En daar weten we nu meer over.
Door biomineralisatie produceren levende organismen gehard en gemineraliseerd weefsel, zoals een skelet. Dit fenomeen zorgde ervoor dat het leven zich in al zijn veelzijdigheid kon ontwikkelen tot wat het nu is, maar het had ook een grote impact op de koolstofcyclus van de planeet.
De Cloudina
Onderzoekers zijn er nu achter waar die eerste biomineralisatie mogelijk plaatsvond. In het Tsau Khaeb National Park in Namibië hebben ze fossiele skeletten gevonden van Cloudina, buisvormige organismen bestaande uit carbonaatkegels van ongeveer 1,5 centimeter lang, die rond de 550 miljoen jaar oud zijn. Ze stierven uit aan het begin van het Cambrium, zo’n 540 miljoen jaar geleden, en worden beschouwd als een van de oudste microben met een gemineraliseerde buitenkant. Met deze fossielen hopen de onderzoekers te ontdekken waar en in welke periode biomineralisatie begon en vooral: waarom.
Daartoe combineerden ze de analyse van sedimenten met geo-chemische data in de vorm van koolstof- en zuurstofisotopen (hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen in de kern) uit het kalksteen in de Kliphoek Member, Nama Group, een rotsformatie in het Namibische national park. De onderzoekers denken dat deze rotsen ooit strandden in ondiepe zee in een periode dat het water laag stond, voordat een tijdperk van transitie aanbrak naar open zee.
Biologische Big Bang
De Nama Group-rotsen worden beschouwd als cruciaal om de snelle expansie van leven op Aarde richting het Cambrium – tussen 538 en 485 miljoen jaar geleden – beter te begrijpen. Deze overgangsfase wordt ook wel de ‘biologische Big Bang genoemd’.
Tijdens het veldwerk in Namibië onthulden de beddingen tussen de rotsen de echte geschiedenis van het leven door middel van ichnofossielen. Dit zijn enkel de sporen van biologische activiteit, niet de overblijfselen van organismen.
Volgens de onderzoekers zijn deze structuren ontstaan door organismen zonder skelet, die voorafgaand aan de biocalcificatie bestonden. Daarboven zagen ze de eerste tekenen van Cloudina in de Kliphoek Member. Deze opmerkelijke conische fossielen waren in elkaar genesteld. De geochemische analyse van het calciumcarbonaat van de rotsen waarin de fossielen zijn gevonden onthulde een isotopische signatuur van het koolstof (de ratio van lichter 12C tot 13C) en zuurstof (16O tot 18O). Dit verwijst naar het aantal protonen en neutronen: 12C betekent dat het koolstofelement bestaat uit zes protonen en zes neutronen, terwijl 13C uit zes protonen en zeven neutronen bestaat. De isotopen waren geïntegreerd met de moleculaire structuur en dus met de marine omgeving en de planeet als geheel.
Hogere temperaturen en fotosynthese
Een voorbeeld: hogere temperaturen op Aarde zorgen voor meer verdamping van zeewater inclusief het isotopisch lichtere 16O, waardoor de oceaan achterblijft met het zwaardere 18O in de carbonaten en een positief 18O-signaal afgeeft in de dataset.
Ondertussen worden koolstofisotopen beïnvloed door fotosynthese, dus als de biologische activiteit in de oceanen toeneemt door organismen die fotosynthese toepassen en de voorkeur geven aan het lichtere 12C, wordt de oceaan verrijkt met 13C. Er is dan dus meer van de zwaardere 13C-isotoop aanwezig.
Verbonden met de oceaan
De koolstof- en zuurstofratio’s duiden er volgens de onderzoekers op dat de fossielen zich in een semi-afgesloten omgeving bevonden, verbonden met de oceaan, maar afgesloten van meer open zee. Het betekent dat Cloudina oorspronkelijk in een omgeving leefden met weinig zuurstof waarbij er periodes waren met meer zuurstof. Het was dus niet zo dat er een langdurige periode van zuurstofverzadiging was die resulteerde in het ontstaan van skeletten. Maar de onderzoekers stellen wel dat hoge carbonaatconcentraties nodig waren in de oceaan om de omgeving te verzadigen waarin Cloudina hun gecalcificeerde structuur vormden.
Dat gebeurde in een periode waarin de waterstand veranderde. De kustlijn trok zich terug landinwaarts, waardoor de rotsen in ondiep water kwamen te staan in een bassin waarin veel water verdampte. Daarna kwam het zeewater weer omhoog met de zandsteen- en kalkafzettingen in de ondiepe open zee van de Kliphoek Member.
Toen het zeeniveau weer daalde, werden deze open zee-carbonaten afgezet boven een laag waaronder en waarboven significante verschillen bestaan in de mate waarin het water verzadigd is met zuurstof. En daardoor kon de biomineralisatie van Cloudina plaatsvinden.
Schommelingen van de zeespiegel
In navolging van eerder onderzoek ondersteunt deze studie het idee dat Cloudina en gelijksoortige microben opportunistische kolonisators waren die profiteerden van kortdurende zuurstofrijke periodes in normaalgesproken relatief zuurstofloze omstandigheden, gecombineerd met schommelingen van het zeeniveau. Daaruit kun je concluderen dat de belangrijke evolutionaire stap van skeletvorming eigenlijk voortkomt uit de instabiliteit van de zee.
