Na de Grote Oxidatie kon dierlijk leven ontstaan en zich ontwikkelen in allerlei soorten en maten. Nu blijkt dat het zuurstofgehalte op aarde sindsdien enorm fluctueert. Wat voor effect had dit op de evolutie?

Zo’n 2,4 miljard jaar geleden was er voor het eerst sprake van zuurstof in de aardse atmosfeer. Simpele meercellige wezens dobberden in de hogere regionen van de oeroceaan, waar het water zuurstofrijk was. Sindsdien fluctueert het zuurstofgehalte in de atmosfeer en dus in het oceaanwater enorm. Wetenschappers hebben onderzocht welke verschillende zuurstoffases elkaar hebben afgewisseld en wat dit heeft betekend voor de omstandigheden op aarde en de ontwikkeling van het vroege dierlijke leven.

De Grote Oxidatie
Uit analyse van honderden miljoenen jaren oude fossielen bleek dat het zuurstofgehalte in de lucht zich grofweg heeft ontwikkeld in drie fasen. Eerst was daar de Grote Oxidatie, meer dan twee miljard jaar geleden, toen zuurstof voor het eerst in de atmosfeer verscheen. Over deze periode is brede consensus onder wetenschappers. Ook over de derde, meest recente fase, die ongeveer vierhonderd miljoen jaar geleden begon, is relatief veel bekend. Het zuurstofpercentage in de lucht steeg sindsdien tot het niveau van 21 procent waar we nu mee te maken hebben.

Maar wat gebeurde er in de periode daar tussenin? Deze tweede fase – het Neoproterozoïcum – begon ongeveer één miljard jaar geleden en duurde zo’n vijfhonderd miljoen jaar. Deze fase staat bekend als de periode waarin allerlei vroege vormen van dierlijk leven ontstonden. Daarom waren de onderzoekers benieuwd naar het zuurstofniveau van de atmosfeer en de oeroceaan in het Neoproterozoïcum.

Grote fluctuaties
Hoe dynamisch was het zuurstofgehalte, veranderde het geleidelijk of erg plotseling? En heeft dit mogelijk een cruciale rol gespeeld in de vroege evolutie van dieren? De onderzoekers analyseerden kalksteenrotsen uit ondiepe zeeën en vonden aanwijzingen in de isotopenverhoudingen van verschillende soorten koolstofisotopen. Zo konden ze de mate van fotosynthese berekenen en uiteindelijk per tijdsperiode het zuurstofgehalte in de lucht afleiden.

Ze bestudeerden onder andere de gefossiliseerde sporen van vroege dieren, de zogenaamde Ediacarische biota. Deze eenvoudige, meercellige organismen hadden zuurstof nodig om te leven en zijn gevonden in sedimentaire gesteenten van 541 tot 635 miljoen jaar oud.

De zuurstofkraan
Onderzoeksleider Alex Krause uit Leeds legt uit dat de bevindingen een nieuw perspectief bieden op de manier waarop de zuurstofniveaus op aarde veranderden door de jaren heen. Hij legt uit: “De vroege aarde was zuurstofloos. Gedurende de eerste twee miljard jaar van haar bestaan was de aarde volledig verstoken van atmosferische zuurstof. Toen begonnen de zuurstofniveaus te stijgen, wat bekend staat als de Grote Oxidatie.”

“Tot nu toe dachten wetenschappers dat na de Grote Oxidatie de zuurstofniveaus laag waren en pas vlak voordat de eerste dieren opkwamen, omhoog schoten. Een tweede hypothese is dat het zuurstofgehalte op aarde al vele miljoenen jaren hoger was en pas veel later de dieren tevoorschijn kwamen. Maar uit onze studie blijkt nu dat de zuurstofniveaus veel dynamischer waren”, legt Krause uit. “Lange tijd fluctueerde het zuurstofgehalte in de atmosfeer enorm. Pas daarna ontstonden er vroege vormen van dierlijk leven. We zien perioden waarin de oceaan, waarin de vroege dieren uitsluitend leefden, erg zuurstofrijk was. En daarna weer perioden waarin dat niet het geval was.” De zuurstofkraan is dus niet langzamerhand steeds verder opengedraaid; het zuurstofgehalte vliegt alle kanten op.

Steeds meer leefruimte
Onderzoeker Benjamin Mills vertelt: “Deze periodieke verandering in omgevingsomstandigheden veroorzaakt continue evolutionaire druk, waarbij sommige levensvormen uitsterven en nieuwe diersoorten kunnen ontstaan.” Zuurstofrijke perioden zorgen ervoor dat de ‘bewoonbare ruimtes’ in de oceaan zich uitbreiden. Er ontstaat dan steeds meer leefruimte voor vroege dierlijke levensvormen. “Dit krimpen en uitzetten van leefgebied kan leiden tot grote en snelle veranderingen in de biodiversiteit”, aldus Mills.

“Wanneer het zuurstofgehalte daalt, drukt dit zwaar op de leefomstandigheden van sommige organismen. Dit kan uiteindelijk leiden tot uitsterving van de soort. Andersom kan meer zuurstof in de atmosfeer zorgen voor meer leefruimte in het water. Nieuwe soorten kunnen ontstaan door de overvloedige ruimte en gaan de leefomgeving domineren. Deze fluctuaties in zuurstofgehalte zorgden er waarschijnlijk voor dat de ecosystemen tientallen miljoenen jaren onder ruwweg dezelfde omstandigheden konden ontwikkelen. Meer dan voldoende tijd om een geheel nieuw soort ecosysteem en allerlei nieuw geëvolueerde diersoorten te laten floreren”, zegt Mills. Totdat de natuur weer aan de zuurstofkraan draait.