Getijden hebben mogelijk tot ontstaan van leven op aarde geleid

Door de aantrekkingskracht die de maan op de wereldzeeën uitoefende, werd de rotatie van de aarde geleidelijk aan vertraagd, waardoor de dag steeds langer werd en fotosynthetiserende microben de kans kregen om de wereld nieuw leven in te blazen.

Door Rebecca Dzombak
Gepubliceerd 24 sep. 2021 12:09 CEST
Diver

Een duiker verkent het Middle Island Sinkhole, een diep zinkgat voor de kust van het gelijknamige eilandje in het Huronmeer. Op de bodem van dit zinkgat leven microbiële matten die mogelijk sterk doen denken aan kolonies van microben die rond twee miljard jaar geleden in de wereldzeeën van de vroege aarde leefden. Experimenten met de blauwalgen in deze matten wijzen erop dat deze fotosynthetiserende microben dankzij de toename van de daglengte op aarde genoeg zuurstof konden produceren om de vroege atmosfeer met enorme hoeveelheden zuurstof te verrijken.

Foto van NOAA, Thunder Bay National Marine Sanctuary

Judith Klatt doet al jaren onderzoek naar blauwalgen. Aanvankelijk was ze sceptisch toen een aantal collega’s haar een idee voorlegden: zou de lengte van de dag op de vroege aarde van invloed zijn geweest op het ontstaan van de eerste complexe levensvormen?

In de loop van de geschiedenis van de aarde is de lengte van de dag spectaculair toegenomen. Ruim drie miljard jaar geleden duurde een dag op aarde mogelijk niet langer dan zes uur. Maar uit de chemische samenstelling van afzettingen blijkt dat in de periode tussen 2,4 en 2,2 miljard jaar geleden – tijdens de zogenaamde ‘Grote Zuurstofsprong’ (‘Great Oxygenation Event’) het zuurstofgehalte in de atmosfeer omhoog schoot terwijl de hoeveelheid kooldioxide juist sterk afnam. Die snelle sprong in het zuurstofgehalte van de atmosfeer wordt gewoonlijk toegeschreven aan de enorme vermeerdering van blauwalgen in de wereldzeeën, die hun energie uit zonlicht halen en deels in zuurstof omzetten.

Al tientallen jaren doen wetenschappers onderzoek naar veranderingen in de lengte van de dag en ook naar de vorming van een zuurstofrijke atmosfeer op aarde, maar tot nu toe had niemand beide fenomenen direct met elkaar in verband gebracht.

Klatt is microbiologe aan het Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen en begon samen met collega’s van de University of Michigan te onderzoeken of de langere duur van de dag de oeroude blauwalgen kan hebben gestimuleerd tot een spectaculaire groei, iets wat uiteindelijk zou leiden tot de snelle opkomst van de eerste meercellige organismen op aarde en uiteindelijk tot de veelheid van levensvormen die we vandaag de dag kennen.

Om dat scenario te onderzoeken richtte Klatts team zich op een uniek ecosysteem, het zogenaamde ‘Middle Island Sinkhole’, een diep zinkgat dat voor de oever van het gelijknamige eilandje onder het water van het Huronmeer in de staat Michigan ligt. De onderzoekers maten het zuurstofgehalte in dit zinkgat, waar de concentratie aan blauwalgen zeer hoog is, en verwerkten hun metingen in computermodellen van de omwenteling van de vroege aarde.

Een duiker nadert een paarse mat van blauwalgen op de bodem van het Middle Island Sinkhole. Het koude water in dit 23 diepe zinkgat bevat hoge concentraties aan zwavel en maar weinig zuurstof – een milieu dat waarschijnlijk omstandigheden weerspiegelt die miljarden jaren geleden in de vroege wereldzeeën heersten.

Foto van NOAA, Thunder Bay National Marine Sanctuary

“Het is enorm inspirerend geweest om onderzoek te doen in deze wereld, die mogelijk een afspiegeling is van de omstandigheden op de vroege aarde,” zegt Klatt over het werk in het zinkgat. “Het is een verbijsterende plek.”

Maar de resultaten van het onderzoek hebben het mysterie niet helemaal opgelost. In een artikel in het tijdschrift Nature Geosciences beschrijft het team de fascinerende mogelijkheid dat de lengte van de dag en het leven op aarde (en mogelijk zelfs op andere planeten) zich in de loop van de evolutie hand in hand hebben ontwikkeld.

“Wat ze hebben aangetoond, is dat het voor de biologie op aarde veel uitmaakt of een etmaal 24 of 12 uur duurt,” zegt Christopher Spalding, een planetoloog van de University of Princeton die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken. “Ik denk dat deze voorlopige bevindingen aanleiding geven tot verder onderzoek.”

Eeuwig duet met de maan

Het huidige aardse etmaal van 24 uur is het gevolg van het feit dat onze planeet in de loop van zijn 4,5 miljard jaar lange geschiedenis steeds trager om zijn as is gaan wentelen, een ontwikkeling die in verband kan worden gebracht met de getijden op aarde.

Wie een dagje aan zee doorbrengt, ziet hoe het getij langs de kust opkomt en weer afgaat. Die ogenschijnlijk geleidelijke verplaatsing van het zeewater is het gevolg van immense krachten die de aarde, de wereldzeeën en de maan op elkaar uitoefenen. In zijn omloopbaan trekt de zwaartekracht van de maan aan het zeewater op aarde, terwijl al dat water weer zijn eigen aantrekkingskracht op de maan uitoefent. De oceanen reageren op dit getouwtrek in de vorm van getijden, die op hun beurt voor wrijving tussen het zeewater en de oceaanbodem zorgen.

Het is die frictie tussen water en zeebodem die telkens een beetje energie aan de omwenteling van de aarde onttrekt, waardoor zijn rotatiesnelheid vertraagt en de dag dus telkens iets langer wordt. Dit proces speelt zich al honderden miljoenen jaren af en verloopt zeer traag. We merken dus niet echt dat de dag steeds iets langer wordt en ook het traceren van die vertraging door de geologische tijd heen is een lastig karwei.

“We zijn vrij zeker van de omwentelingssnelheid van de aarde tot ongeveer 550 miljoen jaar geleden (...), omdat we uit die periode schelpen hebben en we aan hun groeirichels kunnen zien hoe lang één etmaal duurde,” legt Spalding uit. “Maar de omwentelingssnelheid van vóór die tijd is onbekend, want uit die periode hebben we geen koralen of schelpen.” (Bekijk deze gefossiliseerde afdrukken – mogelijk de oudste sporen van leven op aarde.)

Dus in de beginfase van de aarde “bevinden we ons in een wereld van computermodellen,” zegt Woodward Fischer, een planetoloog van het California Institute of Technology die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken. “We weten dat de lengte van de dag berust op systemische veranderingen en we weten in welke richting die veranderingen zich ontwikkelden, maar de details ontbreken.”

Er bestaan talloze computermodellen van de omwenteling van de aarde. Een model dat sinds de jaren tachtig veel wordt gebruikt, laat zien dat de lengte van de dag op de vroege aarde zeer snel toenam, totdat de duur ervan zo’n 2,5 miljard jaar geleden stabiliseerde, met een duur van ongeveer 21 uur. Sindsdien is de duur van een etmaal op aarde gedurende honderden miljoenen jaren vrijwel onveranderd gebleven.

Rond 2,5 miljard jaar geleden bereikten de getijden, de aarde en de maan mogelijk een situatie die door de opstellers van dit computermodel ‘resonantie’ wordt genoemd. De rotatie van de aarde wordt door twee hoofdkrachten bepaald. De getijden trekken aan de planeet en vertragen daardoor zijn omwenteling. Maar overdag warmt de zon telkens één halfrond van de aarde op, waardoor het zeewater en de landmassa’s aan die zijde een beetje uitzetten. Door dat fenomeen wordt de omwenteling van de aarde juist iets versneld.

Totdat dit systeem een staat van resonantie bereikte, waren het de getijden die bij dit getouwtrek aan het langste eind trokken. Vanaf het moment dat het systeem rond 2,5 miljard jaar geleden in resonantie raakte, hielden deze tegengestelde krachten elkaar in evenwicht. En op die ‘magische’ frequentie zou de omwentelingssnelheid gedurende zeer lange tijd stabiel blijven.

Klatt en haar team gebruikten dit model als de basis voor hun nieuwe onderzoekingen. Fascinerend genoeg ontdekten ze dat de resonantie van het 21-uursetmaal in dezelfde periode werd bereikt waarin ook enorme hoeveelheden zuurstof in de atmosfeer werden gepompt. “Ik was helemaal verrukt toen ik de overeenkomsten tussen het zuurstofpatroon en het omwentelingspatroon zag,” zegt Klatt. “Dat was superspannend.”

Een plekje onder de zon

Blauwalgen tieren ook nu nog welig in de wereldzeeën, en de algen die in kolonies van slijmerige matten op de bodem van het Middle Island Sinkhole leven, leverden het team een van de puzzelstukjes voor hun onderzoek op.

Het water in dit 23 meter diepe zinkgat bevat veel zwavel en maar weinig zuurstof. Wetenschappers denken dat die samenstelling weleens sterk zou kunnen lijken op de omstandigheden die miljarden jaren gelden op aarde heersten. Door dit milieu te bestuderen konden Klatt en haar team zich een beeld vormen van de werking van soortgelijke ecosystemen in een zeer ver verleden. (Ontdek hoe microben die in de heetwaterbronnen van het Yellowstone-park leven, het belangrijkste ingrediënt voor onze COVID-19-tests leveren.)

Klatt ontdekte dat deze microben ternauwernood overleven en een precair evenwicht tussen zuurstofproductie en zuurstofverlies in stand houden. “Bij microbiële matten is de marge heel erg klein. Ze maken heel veel zuurstof aan, maar ze verbruiken ook heel veel zuurstof,” zegt Fischer. “Ze leven echt alleen in dit grensgebied (...), waarbij slechts een klein beetje zuurstof naar de atmosfeer wegsijpelt. Dat is het wat in deze studie wordt bevestigd.”

Door gegevens over microbiële matten op de bodem van een zinkgat (op de foto) te combineren met computermodellen van de omwenteling van de aarde, ontdekten wetenschappers dat de enorme toename in het zuurstofgehalte van de vroege atmosfeer samenviel met de periode waarin de omwentelingssnelheid van onze planeet zich stabiliseerde op 21 uur. De relatief lange dag met meer zonneschijn stelde blauwalgen in staat om hun biologische processen te optimaliseren en daardoor genoeg zuurstof te produceren om de atmosfeer van de aarde met dit belangrijke gas te verrijken.

Foto van NOAA, Thunder Bay National Marine Sanctuary

Dus luidt de vraag hoe het komt dat deze microbiële matten met hun geringe zuurstofproductie de hele atmosfeer met het zo belangrijke gas hebben verrijkt?

Het antwoord is gelegen in een fysiek mechanisme dat ‘diffusie’ wordt genoemd. Daarbij verplaatst een gas, bijvoorbeeld zuurstof, zich van plekken met hoge concentraties naar plekken met lagere concentraties. Het mechanisme is in actie te zien als je een fles prik opent en de belletjes koolzuurgas naar boven ziet schieten.

Als de duur van de dag kort is, schakelen blauwalgen hun metabolisme voortdurend aan en weer uit, maar als een dag langer duurt, kunnen ze ook langer achter elkaar aan fotosynthese doen en daarbij zuurstofconcentraties opbouwen die hoog genoeg zijn om een deel van die zuurstof naar de atmosfeer te doen wegsijpelen. Uit de experimenten in Klatts laboratorium bleek dat microben uit de bodem van het zinkgat meer zuurstof aan de atmosfeer afgaven als ze aan langere perioden van daglicht werden blootgesteld.

Volgens het omwentelingsmodel dat Klatt gebruikte, nam de lengte van de dag tussen 3,5 en 2,25 miljard jaar geleden geleidelijk aan toe. Toen de aarde, de maan en de getijden eenmaal een staat van resonantie met een etmaal van 21 uur bereikten, bleef die situatie stabiel tot zo’n 550 miljoen jaar geleden, toen de rotatiesnelheid van de aarde langzaam begon af te nemen. Die stabilisering, met een relatief lang etmaal van 21 uur, moet van doorslaggevend belang zijn geweest voor de opmars van de blauwalgen, die hun biologische processen aan een 21-uursdag konden aanpassen in plaats van dat ze zich moesten instellen op voortdurend veranderende daglengten.

Buitenaardse dagen

De resultaten van Klatt en haar team effenen de weg voor verder onderzoek naar de omstandigheden op de vroege aarde en daarbuiten. “De lengte van de dag kan een sleutelrol spelen in het oplossen van het blijvende mysterie van de Grote Zuurstofsprong op aarde,” zegt Arjun Chennu, expert in biologische computermodellen aan hetzelfde Max-Planck-Institut en samen met Klatt medeauteur van het nieuwe onderzoek.

“Het zou ook zinvol zijn om te kijken naar de wijze waarop geochemische processen op andere manieren door veranderingen in de daglengte beïnvloed zouden kunnen worden.” Zo zouden verschuivingen in de daglengte en het zuurstofgehalte in de atmosfeer van invloed kunnen zijn geweest op de koolstofcyclus en de verwering van de eerste continenten.

Voor Devon Cole, geobiologe aan het Georgia Institute of Technology, heeft de nieuwe studie ook implicaties voor het onderzoek naar de evolutie van potentiële levensvormen op andere planeten. Eerder al hadden astrobiologen gekeken naar de omwentelingssnelheid van exoplaneten als een van de factoren die hun zoektocht naar buitenaards leven bepalen, maar dankzij het onderzoek van Klatt hebben ze nu een beter idee van de invloed van de daglengte op buitenaardse bio- en atmosferen.

Enkele van de duizenden exoplaneten die tot nu toe in omloopbanen rond andere sterren dan de zon zijn aangetroffen, bevinden zich ten opzichte van hun thuisster in een zogenaamde ‘gebonden rotatie’, wat betekent dat telkens één zijde van deze planeten in permanent daglicht baadt en de andere zijde in eeuwige duisternis is gehuld. “Zouden daar wel biosferen kunnen ontstaan die uiteindelijk tot levensvatbare atmosferen kunnen leiden? En zouden wij de handtekening ervan op andere planeten kunnen waarnemen?” vraagt Cole zich af. “In het geval van gebonden rotatie zou de enige levensvatbare plek misschien de eeuwige cirkel van ‘zonsondergang’ zijn die door de grens tussen de dag- en nachtzijde wordt gevormd.”

Wat betreft het zuurstofgehalte in de atmosfeer en het ontstaan van het leven op aarde was het onderzoek naar de lengte van de dag volgens haar “niet het eerste wat bij mensen opkwam, dus vind ik het erg cool dat daar in dit onderzoek naar is gekeken.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

  • Gebruiksvoorwaarden
  • Privacyverklaring
  • Cookiebeleid
Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2017 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.