De oorsprong van zuurstof: Wanneer begonnen we te ademen? 

22-04-2020

We bekijken een eigenschap van de Aarde die onmisbaar is voor het leven, en die uniek is op onze planeet: een zuurstofrijke atmosfeer. Maar hoe is die ontstaan? Want een paar miljoen jaar geleden was er nog geen zuurstof. Langzaamaan begon zuurstof in de atmosfeer te accumuleren en dat had grote gevolgen voor het leven op aarde.  

Auteur: Kathelijne Bonne.

De mens staat niet buiten de aarde. We zijn er een deel van. Dat klinkt allemaal nogal hippie-achtig maar het is pure wetenschap. De manier waarop ons lichaam werkt, is zo geprogrammeerd om op de Aarde te kunnen leven. We zijn het product van 4 miljard jaar aanpassing. Ons metabolisme hangt af van andere organismen (die we moeten eten), en van de gassen in de atmosfeer. 

Want we ademen zuurstof, zo wekken we energie op. De lucht die we inademen bestaat uit een mengsel van gassen. Het percentage stikstof in de atmosfeer is 78% en de rest is zuurstof, waterdamp, argongas, koolstofdioxide en nog een paar gassen. Zuurstof is niet weg te denken, maar er zijn tijden geweest waarin er bijna geen zuurstof was. 

Blauwe lucht met wolken (waterdamp). De atmosfeer was ooit helemaal anders.
Blauwe lucht met wolken (waterdamp). De atmosfeer was ooit helemaal anders.

Lange adem

Het verhaal van zuurstof is iets van lange adem. We keren de klok 2,4 miljard jaar terug. Er waren toen alleen maar eencellige organismen, namelijk bacteriën en oerbacteriën. Die hadden verschillende manieren om in hun energiehuishouding te voorzien. Maar als één bron uitgeput was, moesten ze op zoek naar andere bronnen, wat bevorderlijk is voor de diversificatie. 

De cyanobacteria of blauwalgen (ook blauwwieren genoemd) wilden profiteren van al dat zonlicht en de hoge concentraties koolstofdioxide die in de vroege atmosfeer aanwezig waren. Zo zag het proces fotosynthese het levenslicht. Fotosynthese is een vorm van stofwisseling, een manier om energie op te wekken (wij doen dat door te eten en te ademen). 

Suikers maken

Bij fotosynthese wordt de energie van het zonlicht geoogst, en koolstofdioxide opgenomen. Met die ingrediënten maakten bacteriën suikers en andere organische bouwstenen. Zuurstof werd uitgestoten als nevenproduct. De atmosfeer werd rond 2,4 miljard jaar geleden steeds meer aangerijkt aan zuurstof door de werking van fotosynthetiserende bacteriën. Het zuurstofgehalte van de atmosfeer nam gestaag toe (maar was wel nog bijlange niet zo hoog als nu). 

Wetenschappers noemen deze gebeurtenis de Great Oxygenation Event of Zuurstofcrisis. Waarom crisis? Omdat de aanwezigheid van zuurstof voor vele wezens problemen opleverde, het was eigenlijk een gif. Vele anaerobe organismen stierven uit. Zuurstof is zeer corrosief en een sterk oxidans. Het heeft een sterke tendens chemisch te reageren. Het 'nieuwe' zuurstof vereiste een grote aanpassing van het leven. 

Wat waren de gevolgen van het toenemende zuurstofgehalte?

De ozonlaag

Zuurstof is normaalgezien per twee gebonden: elke zuurstofmolecule bestaat uit twee zuurstofatomen, daarom is zuurstof in chemische taal O2. Maar heel hoog in de dampkring reageert zuurstof met ultraviolette straling, en bindt zich in groepjes van drie, O3. Dat is ozon, een ander gas met andere eigenschappen. Het houdt gevaarlijke straling van de zon, die dodelijk is voor het leven, buiten. De ozonlaag beschermt dus het aardoppervlak. Dankzij deze laag kon ongeveer 430 miljoen jaar geleden het leven het land koloniseren. 

Zuurstof inademen: een goede uitvinding

Maar zuurstof had nog andere voordelen. In plaats van weg te kruipen voor corrosief zuurstof, ontwikkelden sommige organismen methoden om van zuurstof gebruik te maken. Ze gingen zuurstof uit de lucht trekken, ademen heet dat. Dat was een goede 'uitvinding'. Aerobe ademhaling is om biochemische redenen veel efficiënter dan anaerobe ademhaling. Dat wil zeggen, bij dezelfde hoeveelheid ademen, krijgt een zuurstofademend organisme er veel meer energie uit. 

Dat gaf ze de kans zich snel te ontwikkelen en vele evolutionaire hoogstandjes uit te proberen. Een van de resultaten was het ontstaan van de eukaryoten. Die ontstonden een miljard jaar geleden. Bij een eukaryoot heeft elke cel een celkern en verschillende organellen, zoals mitochondriën. Bacteriën en oerbacteriën, hoe efficiënt, gediversifieerd en langlevend ook, hebben geen celkern en organellen. Het DNA zwemt los in hun cel. 

Veel energie nodig

Dankzij zuurstofademhaling konden zich uiteindelijk meercellige wezens ontwikkelen vanuit de eukaryoten. Het onderhoud van een meercellig wezen vergt enorm veel energie, wat geleverd wordt door zuurstofademhaling. De dieren en uiteindelijk ook de mens, ademen. En bedenk dat we continu moeten ademhalen om ons lichaam in leven te houden. En als nevenproduct ademen we koolstofdioxide uit. 

Kringloop

We onttrekken zuurstof aan de atmosfeer en planten en algen geven de zuurstof terug. Er is dus sprake van een evenwicht, een kringloop. Maar het zuurstofgehalte schommelt wel steeds, dat is normaal. Want de toevoer en onttrekking van zuurstof loopt niet altijd gelijk. En vandaag heeft de mens een hoge impact op de concentratie gassen in de atmosfeer. Door verbranden van fossiele brandstoffen is er steeds meer koolstofdioxide. Intussen wordt de biomassa steeds kleiner en verleggen we het evenwicht tussen van zuurstof en koolstofdioxide. 

------

Bronnen

Hemp et al, 2010, Astrobiology Science Conference. Evolution of Aerobic Respiration. 

Santos-Bezerra et al, 2021, Scientific Reports, Evolution of a key enzyme of aerobic metabolism reveals Proterozoic functional subunit duplication events and an ancient origin of animals. 11, 15744.

Ga naar alle artikels.