Mogelijk was er lang voor fotosynthese ontstond toch al een bron van zuurstof diep verborgen in de gloeiendhete aardkorst. Dit heeft wellicht invloed gehad op de evolutie van leven, concluderen wetenschappers van de Newcastle University. 

De onderzoekers, wier studie in Nature Communications verscheen, legden een mechanisme bloot waardoor waterperoxide wordt aangemaakt uit rotsen tijdens de beweging van breuklijnen in de aardkorst.

Hoewel hoge concentraties waterstofperoxide schadelijk kunnen zijn voor leven, kan het ook microben van zuurstof voorzien. Deze extra bron van zuurstof kan invloed hebben gehad op de vroege evolutie en wellicht zelfs op het ontstaan van leven in de bloedhete aardkorst van de vroege aarde, nog voor de komst van fotosynthese.

Breuken en scheuren
In regio’s waar veel tektonische activiteit is, zorgt de beweging van de aardkorst niet alleen voor aardbevingen, maar doorzeeft het ook de ondergrond met scheuren en breuken die zijn bedekt met zeer reactieve rotsoppervlakken die veel butsen en barsten bevatten. Water kan daardoor naar beneden sijpelen en reageren met het gebroken gesteente.

In het laboratorium bootste onderzoeker Jordan Stone deze omstandigheden na door graniet, basalt en peridotiet te verpulveren. Deze soorten gesteente zouden in de vroege aardkorst aanwezig zijn geweest. Deze stenen zijn daarna toegevoegd aan water in zuurstofloze omstandigheden op verschillende temperaturen.

Kookpunt
De experimenten toonden aan dat er alleen substantiële hoeveelheden waterstofperoxide – en als gevolg mogelijk zuurstof – ontstonden bij temperaturen rond het kookpunt van water. En belangrijk: de temperatuur waarin waterstofperoxide wordt gevormd komt overeen met de temperatuur waarin de microben op aarde die het meest van hitte houden het beste groeien. Dit zijn de zogenoemde hyperthermofielen. Daartoe behoren ook evolutionair zeer oude zuurstof gebruikende microben dichtbij de wortels van de Tree of Life van Charles Darwin, de fylogenetische stamboom waarin de afstamming van alle levende organismen beschreven wordt.

Hoofonderzoeker Stone reageert: “Eerdere studies toonden al aan dat kleine hoeveelheden waterstofperoxide en andere oxidanten in de afwezigheid van zuurstof gevormd kunnen worden door het onder druk zetten en verpletteren van rotsen. Maar dit is de eerste studie die het vitale belang laat zien van hoge temperaturen om de aanmaak van waterstofperoxide te maximaliseren.”

De tijdlijn van het ontstaan van zuurstof, inclusief de mogelijke ontwikkeling van zuurstof uit tektonische activiteit. Afbeelding: Jon Telling / Jordan Stone / Newcastle University

Invloed op eerste leven
Onderzoeker dr. Jon Telling voegt daar nog aan toe: “Dit onderzoek toont aan dat misvormingen op verpletterde stenen en mineralen zich heel anders kunnen gedragen dan hoe je zou verwachten dat ‘perfectere’ minerale oppervlakken reageren. Het enige wat deze mechanisch-chemische reacties nodig hebben om waterstofperoxide, en daarmee zuurstof, te genereren is water, geplette stenen en hoge temperaturen. En dat was allemaal aanwezig op de vroege aarde voor de evolutie van fotosynthese. Dit kan invloed hebben gehad op de chemische samenstelling en de microbiologie in hete, seismisch actieve regio’s waar het eerste leven mogelijk is ontstaan.”

Telling gaat nu in vervolgonderzoek, gefinancierd door onder meer de UK Space Agency, proberen vast te stellen hoe belangrijk dit mechanisme is geweest voor leven dat ontstond in de aardkorst.

Ontstaan fotosynthese
Fotosynthese is het proces waarmee planten en sommige bacteriën licht en water gebruiken om koolstofdioxide om te zetten in glucose en zuurstof. Het eerste leven op aarde leefde zonder zuurstof. Het haalde voedingsstoffen enkel uit water. Ongeveer 3,5 miljard jaar geleden maakten blauwalgen voor het eerst gebruik van fotosynthese. De planten konden zo hun eigen voedsel maken. De zuurstof die daarbij vrijkomt, zorgde in eerste instantie voor het uitsterven van veel micro-organismen waarvoor zuurstof giftig was.

Het duurde nog tot ongeveer 1,7 miljard jaar geleden voor er organismen ontstonden die wel konden leven met zuurstof. Uiteindelijk werd zuurstof cruciaal voor de evolutie van het leven op aarde. Het zorgde voor een ozonlaag, die de schadelijke uv-straling opvangt en het leidde tot veel complexer leven, zoals tenslotte de mens. Ook op andere planeten is waarschijnlijk zuurstof nodig voor complex leven, waar het bestaan van water voldoende is voor primitief leven.