Oerbacteriën kregen meer tijd om zuurstof te produceren, waardoor de wereldwijde zuurstofconcentratie gestaag toenam.

Wetenschappers veronderstellen dat wij ons bestaan aan minuscule micro-organismen te danken hebben. Vrijwel al het zuurstof op aarde is namelijk geproduceerd door middel van fotosynthese dat uitgevonden is door kleine organismen; de cyanobacteriën. Wetenschappers hebben in een nieuwe studie deze bijzondere organismen onder de loep genomen om een prangende vraag te beantwoorden. Want waarom duurde het eigenlijk zo lang voordat de aarde transformeerde in de leefbare planeet van vandaag de dag?

Cyanobacteriën
Toen cyanobacteriën het levenslicht zagen, was de aardse atmosfeer nog behoorlijk zuurstofarm. Maar doordat deze bacteriën zuurstof genereerden, nam de zuurstofconcentratie toe, waardoor ook complexere levensvormen konden ontstaan. Cyanobacteriën evolueerden meer dan 2,4 miljard jaar geleden, maar de aarde veranderde slechts langzaam in de zuurstofrijke planeet die we vandaag kennen. “We begrijpen niet helemaal waarom het zo lang duurde en welke factoren de zuurstofvoorziening van de aarde regelden,” aldus onderzoeker Judith Klatt. “Maar toen ik in het Huronmeer in Michigan matten cyanobacteriën bestudeerde – die leven onder omstandigheden die lijken op de vroege aarde – ging het langzaam dagen.”

Zuurstofarm
Het water op een specifieke plek in het Huronmeer waar grondwater uit de bodem sijpelt, is zeer zuurstofarm. Daarom geeft het ons een idee van de omstandigheden die miljarden jaren geleden op de gehele planeet heersten. De microben op deze zuurstofarme plek zijn voornamelijk paarse zuurstofproducerende cyanobacteriën die concurreren met witte zwaveloxiderende bacteriën. De eerste wekken energie op met behulp van zonlicht, de tweede met behulp van zwavel.

Een scubaduiker observeert de paarse, witte en groene microben die de rotsen bedekken in het Huronmeer. Afbeelding: Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

Om te overleven, voeren deze bacteriën elke dag een klein dansje uit. Van zonsondergang tot zonsopgang liggen de zwaveloxiderende bacteriën bovenop de cyanobacteriën. Als de zon ’s ochtends tevoorschijn komt, vindt er een wisseling van de wacht plaats en verplaatsen de cyanobacteriën zich naar boven. “Nu kunnen ze beginnen met fotosynthese en het produceren van zuurstof,” legt Klatt uit. “Het duurt echter een paar uur voordat ze echt op gang komen. De cyanobacteriën zijn eerder uitslapers dan ochtendmensen, zo lijkt het.” Als gevolg hiervan blijft de tijd voor fotosynthese beperkt tot slechts een paar uur per dag. En dat leidde tot een interessante vraag. Zou dit namelijk betekenen dat een verandering van de daglengte de fotosynthese in de geschiedenis van de aarde zou kunnen hebben beïnvloed?

Een dag op aarde
Een dag op aarde is niet altijd 24 uur lang geweest. Toen het aarde-maan-systeem werd gevormd, waren de dagen veel korter. Mogelijk duurde een dag toen slechts zes uurtjes. Maar toen de rotatie van onze planeet als gevolg van de aantrekkingskracht van de maan vertraagde, werden de dagen langer. Sommige onderzoekers suggereren dat deze rotatievertraging van de aarde ongeveer een miljard jaar werd onderbroken, wat samenviel met een lange periode van lage wereldwijde zuurstofniveaus. Na die onderbreking, toen de rotatie van de aarde ongeveer 600 miljoen jaar geleden wederom vertraagde, vond er opnieuw een belangrijke overgang in de wereldwijde zuurstofconcentratie plaats.

Verband
Nadat de onderzoekers deze verbluffende overeenkomst tussen de zuurstofconcentratie en de rotatiesnelheid van de aarde hadden opgemerkt, was Klatt gefascineerd door de gedachte dat er mogelijk een verband tussen de twee zou bestaan. “Ik realiseerde me dat daglengte en zuurstofafgifte uit microbiële matten verband houdt met een heel basaal en fundamenteel concept: tijdens korte dagen is er minder tijd en kan er dus ook minder zuurstof uit de matten ontsnappen,” aldus de onderzoeker.

Processen
Om te begrijpen hoe de processen die binnen één dag plaatsvinden de zuurstofniveaus op lange termijn beïnvloeden, bestudeerden de onderzoekers hun bevindingen in vergelijking met modellen over de wereldwijde zuurstofconcentraties. En wat blijkt? Het lijkt er inderdaad op dat de oeroude bacteriën meer zuurstof konden produceren toen de dagen op aarde langer werden. Dit leidde vervolgens tot wereldwijd stijgende zuurstofconcentraties. Volgens de onderzoekers bestaat er dus een belangrijke schakel tussen de activiteit van kleine organismen en mondiale processen.

Kortom, langere dagen maakten de aarde mogelijk leefbaar. “We laten zien dat er een fundamenteel verband bestaat tussen de daglengte en hoeveel zuurstof er kan worden afgegeven door microben,” vat onderzoeker Arjun Chennu samen. “En dat is best spannend. We koppelen de dans van de moleculen in de microbiële mat aan de dans van onze planeet en de maan.”

Wist je dat…

…onderzoekers al eerder stelden dat we mogelijk cyanobacteriën nodig hebben als we de rode planeet willen koloniseren? Wetenschappers breken zich al jaren het hoofd over hoe we het vermogen van deze bacteriën om zuurstof te maken kunnen gebruiken om op Mars te leven. Daarnaast slagen sommige soorten blauwalgen erin om atmosferische stikstof om te zetten in voedingsstoffen. Het betekent dat deze bacteriën dus handig van pas kunnen komen. En onlangs bewezen wetenschappers dat deze bacteriën daadwerkelijk – met een beetje hulp – op Mars kunnen overleven.