Zo vanzelfsprekend is zuurstof niet

Foto Matthew Parker

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? 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. Canfield kijkt terug naar 3,8 miljard jaar geleden, uit die tijd stamt het oudst bekende stuk rots. Microscopisch onderzoek van gesteenten en fysisch-chemische analyses leren ons 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 dan ook 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 nemen koolstofdioxide op uit de lucht, 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. Reden: er was geen zuurstof in de atmosfeer. Daarna nam de concentratie toe. Globaal in twee stappen: een eerste stap 2,3 miljard jaar geleden en nog een flinke stap krap een half miljard jaar geleden.

Geen plaats voor zuurstofverbruikers

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. 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 al op aarde aanwezig waren. Ze wáren er wel, maar zaten vast in water en 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 om te weten is dat er niet maar één kringloop is, maar meerdere. De gassen in de lucht waarin wij leven wisselen uit met de oceanen en kunnen als vaste stof worden gebonden in de aardkorst, en er weer uit vrijkomen. 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 wel fotosynthese.

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? Dan komen we pas in de buurt van het fundamentele belang van cyanobacteriën. Het zijn die bacteriën die, vermoedelijk ergens tussen de 2,7 en 3,5 miljard jaar geleden, voor de grote omwenteling in de geschiedenis van de aarde zorgden. Zij maakten zuurstof uit water. Met zonlicht. 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. Pas toen de aarde wat afgekoeld was (2,3 miljard jaar geleden) begon langzaam de zuurstofconcentratie in de atmosfeer toe te nemen.

In de periode erna, tot 500 miljoen jaar geleden, bevatte de atmosfeer tussen 1 en 10 procent van de huidige zuurstofconcentratie, genoeg voor 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.

Ooit meer zuurstof (en reuzelibellen)

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). Maar het stijgt.

300 miljoen jaar geleden zat er juist 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.’