NGV-Geonieuws 164

NGV-Geonieuws: elektronisch geologisch tijdschrift


September 2009, jaargang 11 nr. 9

Redactie: dr. W.M.L.(Willem) Schuurman

1022 Jojo-effect zuurstofconcentratie op vroege aarde
Auteur: drs. Adiël Klompmaker

Klik hier voor alle artikelen over Biologie & Evolutie ! Klik hier voor alle artikelen over Dateringen ! Klik hier voor alle artikelen over (Paleo)Klimaat !

Voor bijna alle organismen geldt: zonder zuurstof geen leven. Ook in het verre verleden was dat niet anders. Het leven op aarde ontwikkelde zich pas toen de zuurstofconcentratie echt omhoog ging, zo’n 750 miljoen jaar geleden. De stijging van de zuurstofconcentratie was er niet eentje van sprongen met daartussenin periodes met stabiele zuurstofconcentraties in de atmosfeer. Robert Frei (Universiteit van Kopenhagen) en collegawetenschappers tonen met een gloednieuwe methode aan dat de zuurstofconcentratie zich tussen 2,5 en 0,75 miljard jaar geleden als een achtbaan gedroeg. Op en af en weer op tot de aarde een explosie van leven meemaakte.


Zuurstof: een overzichtsplaatje dat laat zien hoe
afhankelijk het leven is van zuurstof (oxygen).
Bron: Creative Commons

Chemie

Voor deze ontdekking gebruikten de onderzoekers de bijzondere eigenschappen van het element chroom (Cr). Twee oxidatietoestanden zijn in dit onderzoek bekeken: Cr3+ en Cr6+. De eerste komt voor in een gereduceerde omgeving, terwijl de laatstgenoemde in een zuurstofrijke(re) omgeving. In de gereduceerde vorm blijft chroom op zijn plaats, maar als er zuurstof in het spel is, vormt zich geoxideerd chroom onder invloed van de katalysator mangaanoxide (MnO2) en blijkt chroom mobiel. Regenwater neemt chroom dan mee naar de rivier die op haar beurt het chroom in de oceaan dumpt. Van groot belang is dat er meer van het zwaardere 53Cr oxideert ten opzichte van 52Cr. Dat signaal is terug te vinden in de oceanen. In de oceaan reageert 53Cr6+ met ijzer (Fe2+) tot het gereduceerde 53Cr3+ en Fe3+ om uiteindelijk gelaagde ijzergesteentes te vormen (Banded Iron Formations, BIF’s). Kortom: hoe meer 53Cr in de gesteentes, hoe meer zuurstof er in de atmosfeer was.


Twee voorbeelden van gesteentes uit gelaagde ijzergesteentes (BIF’s)
van ongeveer 2 miljard jaar oud uit de Amerikaanse staat Michigan.
Bron: Adiël Klompmaker

Ontdekkingen

Meten is weten en dus gingen Robert Frei en collega’s aan de slag. Ze deden metingen aan BIF-gesteentes uit Uruguay, Canada, VS, India, Botswana, Zuid-Afrika, Zimbabwe, Brazilië en Groenland. Hun resultaten zijn opvallend. Tot nu toe werd aangenomen dat de stijging van de zuurstofconcentratie op de vroege aarde in twee grote stappen ging: 1) tijdens de ‘Great Oxidation Event’ (GOE) 2,4 miljard jaar geleden en 2) rond 750 miljoen jaar geleden waarna de diversiteit van het leven enorm steeg met de introductie van de Ediacara fauna. Daartussenin waren enkele kleinere stapjes naar een steeds iets hogere zuurstofconcentratie (dus zonder dalingen) volgens onderzoek gepubliceerd in april 2009.


Een reconstructie van de zuurstofconcentratie volgens eerder onderzoek naar de
relatie van de vorming van supercontinenten en zuurstof.
Bron: Ian Campbell / Nature

Frei en collega’s zien echter een flinke daling in de zuurstofconcentratie 500 miljoen jaar na de GOE (1,9 miljard jaar geleden), mogelijk zelfs tot concentraties van voor de GOE. Daarnaast zit er ook relatief veel 53Cr in de gesteentes van 2,8-2,6 miljard jaar geleden. Met andere woorden: vanaf ongeveer 400 miljoen jaar voor de GOE begon de zuurstofconcentratie dus al langzaam te stijgen. Eerder onderzoek liet al een kleine stijging zien vanaf 2,6 miljard jaar geleden.


In rood aangegeven zijn de wijzigingen die Frei en collega’s voorstellen.
Bewerkte bron: Ian Campbell / Nature

Kritiek en toekomst

Aan bijna elk onderzoek zitten wel haken en ogen en met dit onderzoek is het niet anders. Dit onderzoek neemt aan dat mangaan steeds in dezelfde hoeveelheden aanwezig was op aarde. Of dat ook zo was, is een ander verhaal. Ander probleem is zwavel. Elk eerder onderzoek liet zien dat grote veranderingen in de zuurstofconcentratie gepaard gingen met een vingerafdruk in zwavelisotopen. Echter, rond 1,9 miljard jaar geleden is dit niet te zien. Toch betekent dit onderzoek een grote stap voorwaarts in de precieze bepaling van het verloop van de zuurstofconcentratie op de vroege aarde. Nieuw onderzoek zal moeten aantonen hoe betrouwbaar chroom echt is.

Referenties:
  • Frei et al., 2009. Fluctuations in Precambrian atmospheric oxygenation recorded by chromium isotopes. Nature 461: 250-253.
  • Lyons & Reinhard, 2009. Oxygen for heavy-metal fans. Nature 461: 179-181.


Copyright © NGV 1999-2017
webmaster@geologischevereniging.nl