Zuurstof steeg op uit zee: Brandstof van het leven

Ze wisten precies hoe het water op aarde is gekomen.

En ze hadden een idee waarom de aardkorst beweegt en hoge bergen en diepe afgronden creëert.

Maar hoe zuurstof in de atmosfeer vrijkwam en het leven op gang bracht, was voor wetenschappers tientallen jaren een raadsel. Waarom duurde het 1,2 miljard jaar voordat de eerste fotosynthetische bacteriën zuurstof begonnen te produceren in zee voordat het gas in de lucht kon worden ingeademd?

En toen het eindelijk vrijkwam, waarom doodde het dan het meeste leven op aarde en stortte het de planeet in een 300 miljoen jaar durende klimaatcrisis?

Nu hebben wetenschappers eindelijk het zuurstofraadsel opgelost en het antwoord gevonden diep in de bodem.

IJzer en gas slokken zuurstof op

Zuurstof is een van de meest overvloedige elementen in het heelal. Het heeft atoomnummer 8, wat betekent dat het zuurstofatoom bestaat uit 8 protonen in de kern met 8 elektronen eromheen.

Twee zuurstofatomen kunnen samen het zuurstofmolecuul O₂ vormen, ofwel zuurstof.

3,6 miljard jaar geleden was de lucht op aarde verstikkend giftig. Er was wel zuurstof, maar het was samen met koolstof gebonden in het gas CO₂ , dat samen met methaan, waterstof, stikstof en argon de atmosfeer vormde.

Onder deze barre omstandigheden ontstond leven in zee, zoals blauwalgen: bepaalde bacteriën. Ze vormden grote kolonies, stromatolieten geheten, en zorgden met hun nieuw verworven fotosynthese voor een verhoogde zuurstofproductie in zee.

Maar de blauwalge had nog geen zuurstof aangemaakt of die verdween alweer uit het water. Vrijwel zodra de zuurstof was vrijgekomen, ging deze een verbinding aan met opgelost ijzer uit onderwaterbronnen en sloeg hij op de zeebodem neer als ijzeroxide.

Maar gulzig ijzer in zee verklaart slechts deels waarom er 1,2 miljard jaar verstreek vanaf het moment dat de eerste blauwalgen begonnen met de fotosynthese totdat zuurstof ontsnapte naar de atmosfeer.

Hoewel zuurstof pas 2,4 miljard jaar geleden in de atmosfeer belandde, bevatten de ondiepe delen van de oceanen 2,5 miljard jaar geleden al vrije zuurstof, of misschien zelfs eerder, toonde scheikundige Chadlin M. Ostrander van de universiteit van Arizona in 2019 aan.

Vrije zuurstof in zee zou in de atmosfeer moeten belanden, want als een gas oplost in een vloeistof, gebeurt dat evenredig met de druk van het gas boven het oppervlak en vice versa. Vrije zuurstof in het water zou dus vrije zuurstof in de lucht betekenen – tenzij het gas door chemische reacties werd verbruikt zodra het in de atmosfeer kwam.

Hoewel de vrije zuurstof in de ondiepe zee zuurstof naar de lucht had moeten brengen, verschenen de eerste sporen van gasvormige zuurstof pas 2,4 miljard jaar geleden – 100 miljoen jaar later. Wetenschappers vroegen zich af waarom dit het geval was, en in 2020 vonden ze het baanbrekende antwoord.

Onder leiding van biochemicus Shintaro Kadoya van de universiteit van Washington bewees een onderzoeksteam dat op dit punt in de geschiedenis van de planeet diep onder de grond een cruciale verschuiving plaatsvond.

De aarde is gelaagd, met de korst bovenop en daaronder de mantel. Volgens de wetenschappers is de mantel 2,4 miljard jaar geleden geoxideerd: hij ging meer met zuurstof verzadigde verbindingen bevatten, waardoor vulkanen andere gassen gingen uitstoten.

Voorheen bestonden vulkaangassen uit zuurstofarme stoffen als waterstof en koolmonoxide, die snel reageerden met de weinige vrije zuurstofatomen in de lucht, maar nu bliezen vulkanen meer water, H₂ O, en kooldioxide, CO₂ , uit, die reeds verzadigd waren met zuurstof.

Steeds minder zuurstofmoleculen die de blauwalgen de atmosfeer in stuurden, werden direct verbruikt, dus de concentratie vrije zuurstof in de lucht steeg langzaam maar zeker.

Hoewel de zuurstof op lange termijn een enorme bonus werd voor het leven op aarde, was het aanvankelijk een ramp – zelfs voor de algen die hem produceerden.

Zuurstof leidt tot massasterfte

De zuurstof was puur vergif voor veel organismen die op een zuurstofloze aarde hadden geleefd. Het gas leidde tot de eerste massasterfte op aarde, toen tot 99 procent van al het leven verdween.

Maar de ramp was nog maar net begonnen, want zuurstof veranderde ook de samenstelling van de lucht, waardoor sommige gassen die het grootste deel van de atmosfeer hadden uitgemaakt, werden afgebroken.

Tot nu toe had het broeikasgas methaan de planeet warm gehouden, maar nu reageerde methaan met zuurstof. Samen vormden de gassen kooldioxide en water, en al is kooldioxide ook een broeikasgas, het is veel minder efficiënt dan methaan.

Het gevolg was een temperatuurdaling op aarde die bijna 300 miljoen jaar aanhield. Het ijs verspreidde zich verschillende keren van de poolgebieden tot aan de evenaar, waardoor een zogeheten sneeuwbalaarde ontstond.

Overlevende soorten werden verdrongen naar zuurstofarme omgevingen, zoals diep in de zeebodem, terwijl nieuwe organismen juist een kans kregen.

Zuurstof is een goed hulpmiddel voor het metabolisme van een organisme en wakkert de energieproductie in de mitochondriën van de cellen aan. Hier wordt tijdens de opname van zuurstof de stof adenosinetrifosfaat, ATP, aangemaakt uit glucose, in een proces dat oxidatie wordt genoemd.

Met zuurstof breken bacteriën glucose 13 keer zo efficiënt af als hun soortgenoten die zonder zuurstof leven. Dit verschil gaf het zuurstofminnende leven een enorm voordeel.

De zuurstofconcentratie bleef echter laag – 1/10 tot 1/100 van het huidige niveau – tot ruim 850 miljoen jaar geleden, en al die tijd bleven de organismen klein. Waarom dit zo was, werd uitgelegd in een wetenschappelijk artikel van mei 2021.

Zuurstofarme lucht, kleine dieren

In de studie experimenteerden onderzoekers van het Georgia Institute of Technology onder leiding van bioloog Ozan Bozdag met genetisch gemodificeerde gist die zich gedraagt als een zeer simpel meercellig organisme door grote moeder-dochterkolonies te vormen.

De soort leeft bij voorkeur met veel zuurstof, maar kan ook zonder. De onderzoekers kweekten meer dan 800 generaties van de gist op onder verschillende zuurstofconcentraties.

Toen de gist zonder zuurstof leefde en zijn stofwisseling op een andere manier moest regelen, verdubbelden de individuen in de loop van de 800 generaties in omvang. Hetzelfde gebeurde met de gistcellen die in hoge concentraties zuurstof leefden.

Maar toen de gist weinig zuurstof kreeg, vergelijkbaar met het niveau op aarde tot 850 miljoen jaar geleden, bleven de kolonies klein.

De conclusie is dat zuurstof de omvang van levende organismen beperkt wanneer er slechts weinig van is, omdat in primitieve organismen zuurstof rechtstreeks vanuit de omgeving de cellen moet binnendringen.

Daarom dook geavanceerd, meercellig leven – en dus dieren op aarde – voor het eerst op met de zogeheten Ediacara-fauna zo’n 600 miljoen jaar geleden.

Leven kan niet meer zonder zuurstof

Vandaag de dag heeft het dierenleven zich over de hele wereld verspreid, en de evolutie heeft op grote schaal geëxperimenteerd met ademhalingssystemen die zuurstof in het lichaam opnemen en rondbrengen.

Want de fundamentele uitdaging blijft: zuurstof moet worden geleverd aan elke cel, of de cel zal sterven, en het organisme uiteindelijk ook.

Tot enkele jaren geleden dachten wetenschappers dan ook dat al het hogere dierlijke leven afhankelijk was van zuurstof.

Maar in 2010 vond een onderzoeksteam onder leiding van Roberto Danovaro van de polytechnische universiteit van Ancona in Italië drie soorten microscopisch kleine corsetdiertjes in de Middellandse Zee die – blijkbaar – hun hele leven in een totaal zuurstofloze omgeving doorbrengen.

Sommige soorten corsetdiertjes komen waarschijnlijk aan energie voor hun cellen via hydrogenosomen: mechanismen die de cellen zonder zuurstof kunnen laten werken. Hydrogenosomen zijn tot nu toe alleen bekend van zeer primitieve organismen, zoals schimmels, en niet uit het dierenrijk.

En in 2020 ontdekten de Israëlische zoöloog Dayana Yahalomi en haar onderzoeksteam de soort Henneguya salminicola, een poliep die als parasiet op zalm leeft en geen zuurstof verbrandt.

Henneguya salminicola is het eerste bekende dier zonder het stukje DNA in zijn genoom dat codeert voor de energiecentrales van de cellen, de mitochondriën. En zonder mitochondriën heeft het geen zin om zuurstof op te nemen.

Net als bij corsetdiertjes begrijpen wetenschappers nog niet precies hoe ze aan energie komen.

Feit is alleen dat corsetdiertjes en zalmparasieten zonder zuurstof kunnen overleven, maar mensen niet.

En terwijl de chemische verbinding nu in de atmosfeer van de aarde vrij beschikbaar is, is er bijna overal elders in het heelal een tekort aan.

Astronauten moeten ademen op Mars

Daarom moeten astronauten hun eigen zuurstof meenemen of produceren wanneer ze naar het internationale ruimtestation of nog verder weg gaan.

De meest geavanceerde technologie voor de productie van zuurstof op andere planeten is die van NASA: de nieuwste Marsrover Perseverance heeft een installatie om de CO₂ waaruit de atmosfeer van Mars grotendeels bestaat, om te zetten in zuurstof.

Het MOXIE-experiment kan ruim 10 gram zuivere zuurstof per uur produceren, of 1/3 van de behoefte van een volwassen mens. De technologie moet dus worden opgeschaald voor een Marsmissie.

MOXIE – of een gelijkwaardige techniek – moet niet alleen de bemanning in leven houden, maar ook de zuurstof produceren om te kunnen tanken, zodat het ruimteschip naar de aarde kan terugkeren. NASA heeft berekend dat er circa 25 ton zuurstof nodig is om de 7 ton zuivere raketbrandstof te verbranden voor een retourvlucht van vier astronauten.

Zuurstof is er te over op Mars. Het is het op twee na meest voorkomende element in het heelal, na waterstof en helium, maar is gebonden in chemische verbindingen.

Maar hoe zuurstof ook wordt vrijgemaakt uit bijvoorbeeld CO₂ , de chemische bindingen tussen de atomen moeten worden verbroken – en daar is energie voor nodig.

Naast apparatuur als MOXIE zullen astronauten dus ook apparatuur moeten meenemen om energie te produceren, zoals zonnecellen of draagbare kernreactoren.

MOXIE zou dus makkelijk kunnen worden ingehaald door een totaal andere technologie.

In 2020 toonden drie wetenschappers van Washington University onder leiding van scheikundige Pralay Gayen aan hoe het zeer zoute water op Mars via elektrolyse kan worden gesplitst in zuurstof en waterstof.

Het proces verbruikt slechts 1/25 van de energie die MOXIE nodig heeft om een evenredige hoeveelheid zuurstof te produceren – een voordeel dat zwaar meeweegt als de lancering van elke kilo lading een vermogen kost.

Atmosfeer gaat terug naar af

Op een gegeven moment zal het nodig zijn om op aarde zuurstof te produceren op dezelfde schaal als fotosynthese dat nu doet. Ooit zal de productie op aarde stoppen als de zon het over ruim 1 miljard jaar te heet maakt voor plantaardig leven, aldus de voorspelling van astrobioloog Kazumi Ozaki van Toho University en zijn collega Christopher T. Reinhard in een onderzoek van maart 2021.

De twee wetenschappers hebben klimaatmodellen voor de aarde laten draaien voor miljoenen jaren in de toekomst.

In alle modellen stort de atmosfeer van de aarde in en blijft er slechts 1 procent van de huidige hoeveelheid zuurstof over, maar zijn er hoge gehaltes kooldioxide en methaan – precies zoals het op de jonge aarde was voordat er zuurstof in de atmosfeer kwam.

Zo zal de aarde eindigen waar ze begon.