Hoe onze lucht vol lucht werd gepompt

foto thinkstock

De toename van koolstofdioxide – het broeikasgas – in de atmosfeer krijgt alle aandacht. Maar hoe staat het er voor met zuurstof, het gas dat we inademen om te leven? Wel 20.000 keer per dag. Dat verdwíjnt toch als we olie, steenkool en gas tot CO2 verbranden? Dat klopt. Maar dat is geen reden tot zorg. Er is meer dan voldoende.

Met die optimistische boodschap besluit Donald Canfield zijn ‘biografie’ Oxygen. A Four Billion Year History af. Eigenlijk is het boek een geschiedenis van de aarde. Niet helemaal vanaf het vroegste begin – 4,5 miljard jaar geleden. Maar Canfield kijkt toch 3,8 miljard jaar terug. Uit die tijd stamt het oudst bekende stuk rots. Bij gebrek aan oude atmosfeer putten de geochemobiologen informatie uit oude gesteenten. Microscopisch onderzoek en fysisch-chemisch analyses leren iets over de samenstelling van de atmosfeer of het oceaanwater toen die rotsen ontstonden.

Canfield, Amerikaan, hoogleraar ecologie aan de universiteit van Zuid-Denemarken in Odense, is zelf een gerenommeerd onderzoeker. In zijn boek beschrijft hij niet alleen wetenschappelijke ontdekkingen, maar ook de excursies naar afgelegen oorden waar zij die oude gesteenten hopen aan te treffen.

Koolstofdioxide (CO2) en zuurstof (O2) hebben veel met elkaar te maken. Planten en nemen koolstofdioxide op, maken er met behulp van zonne-energie en water suikers van. En zuurstof. Dieren ademen zuurstof in en koolstofdioxide uit. Dat is één kringloop waarin zuurstof ontstaat en verdwijnt. Voor zuurstofverbruikende organismen was de eerste 2,2 miljard jaar na het ontstaan van de aarde geen plaats. Er was geen zuurstof in de atmosfeer. Daarna nam de concentratie toe. Globaal in twee stappen: een eerste sprong 2,3 miljard jaar geleden en nog een flinke stap krap een half miljard jaar geleden.

De eerste overgang ging waarschijnlijk gepaard met grote schommelingen: perioden met veel en weinig zuurstof in de lucht. En de oceanen bleven nog lang zuurstofarm. Aan dat idee is Canfields naam verbonden: het Canfield Ocean Model.

Dat de aarde de helft van haar bestaan een vrijwel zuurstofloze atmosfeer had, wil niet zeggen dat de zuurstofatomen waar de atmosfeer nu vol mee zit niet op aarde aanwezig waren. Ze waren chemisch gebonden in water en in gesteente.

Kringlopen van ijzer, zwavel, waterstof, koolstof en wat fosfor, chroom en molybdeen, daar goochelt Canfield mee om het lot van zuurstof op aarde te beschrijven. Chemisch gezien gaat het er in Oxygen dan ook soms pittig aan toe.

Belangrijk is dat er véél verschillende kringlopen zijn. De gassen in de lucht waarin wij leven wisselen uit met de oceanen en kunnen als vaste stof gebonden worden in de aardkorst. En er weer uit vrij komen. Rond de aarde van 3,8 miljard jaar geleden hing een atmosfeer met een honderdduizendste tot een tienduizendste van de zuurstofconcentratie waarin wij nu leven. Het eerste leven op aarde – de eerste bacteriën – leefden van ijzerionen, waterstof of sulfaatverbindingen. Ze gebruikten vaak zonlicht als energiebron. Er was al fotosynthese.

Toen ontstonden de cyanobacteriën. ‘Stel je iets voor dat zo verregaand, zo fundamenteel is dat het de hele wereld verandert’, begint Canfield zijn hoofdstuk over cyanobacteriën. De pest, de Renaissance de Tweede Wereldoorlog? Ze veranderden de menselijke cultuur, maar weinig daarbuiten, vindt Canfield. Het uitsterven van de dinosauriërs 65 miljoen jaar geleden? Het grote uitsterven van soorten in het perm 250 miljoen jaar geleden? We komen in de buurt. Natuurlijk, het zijn de cyanobacteriën die voor de grote omwenteling in de geschiedenis van de aarde zorgden. Wanneer ze ontstonden weet niemand; vermoedelijk is het ergens tussen de 2,7 en 3,5 miljard jaar geleden. Canfield noemt ze The Great Liberators. Cyanobacteriën maken zuurstof uit water. Met zonlicht. Die elementen zijn overal op aarde ruim voorhanden. Het leven op aarde explodeerde.

Zo pompten die cyanobacteriën honderden miljoenen jaren zuurstof in de atmosfeer. Dat verdween aanvankelijk onmiddellijk door een reactie met waterstof en zwavelverbindingen die de afkoelende aarde uit zijn binnenste naar buiten stootte. Pas toen de aarde wat koeler was, begon langzaam de zuurstofconcentratie in de atmosfeer toe te nemen. Die Great Oxidation Event, de omslag naar een zuurstofrijke atmosfeer had 2,3 miljard jaar geleden plaats.

In de periode erna, tot 500 miljoen jaar geleden, bevatte de atmosfeer tussen 1 en 10 procent van de huidige zuurstofconcentratie. Er ontstonden zuurstofverbruikende organismen. De terugkerende, maar onbeantwoorde vraag is steeds of het leven zich aan de veranderde chemie aanpaste, of andersom. Het kan ook zijn dat nieuwe levensvormen de aardse chemie veranderden, zoals de mens nu doet met het broeikaseffect.

Tegenwoordig zit er 21 procent zuurstof in de lucht. Lucht bestaat vooral (78 procent) uit stikstof. Waterdamp en sporen van edelgassen vormen het resterende procent. Het aandeel van broeikasgas koolstofdioxide, waar we ons zoveel zorgen over maken, is procentueel bijna te verwaarlozen (0,04 procent). Dat percentage stijgt.

300 miljoen jaar geleden zat er meer zuurstof in de atmosfeer dan de 21 procent van nu. Toen groeiden in moerasachtige gebieden de planten waarvan we de resten nu als steenkool, olie en aardgas benutten. Het zuurstofgehalte in de lucht steeg misschien wel tot 35 procent. Er evolueerden reuze-insecten: libellen met een spanwijdte van 70 centimeter konden in die lucht goed leven en vliegen.

Op een of andere manier leven we nu in een periode waarin oceanen en gesteenten schommelingen in de zuurstofconcentratie dempen. Dat blijft zo, ‘tenzij op wereldschaal de biologisch-geologische processen samenzweren om die concentratie te veranderen’, schrijft Canfield in de laatste zinnen van zijn boek. ‘Maar dat zal dan waarschijnlijk toch nog miljoenen jaren duren.’