Fosfor-overschot leidde tot massaal uitsterven in zee

Geologie 250 miljoen jaar geleden stroomde een overmaat fosfor de oceanen in. Algen bloeiden daardoor op en verstikten het overige leven in zee.

De boorkernen voor onderzoek aan het fosforgehalte in oceanen werden verzameld op Spitsbergen
De boorkernen voor onderzoek aan het fosforgehalte in oceanen werden verzameld op Spitsbergen Foto Martin Schobben

Een toenemende hoeveelheid fosfor in de oceanen heeft 250 miljoen jaar geleden bijgedragen aan het massaal uitsterven van leven in zee. De toevoer van deze voedingsstof bereikte een kantelpunt, wat leidde tot zuurstoftekorten en een overschot aan waterstofsulfide. Dat concludeerden geologen onlangs in Nature Geoscience op basis van analyses aan boorkernen van Spitsbergen. Het model dat de onderzoekers in hun artikel uitwerken kan verklaren waarom het leven op land eerder uitstierf dan in zee.

Aan het einde van het geologische tijdperk Perm (299 tot 252 miljoen jaar geleden) stierf zo’n 80 procent van alle soorten op aarde uit. Het is de ergste uitstervingsgolf die de aarde tot nog toe getroffen heeft, erger dan het uitsterven van dinosauriërs aan het einde van het Krijt, 66 miljoen jaar geleden.

De oorzaak van de massa-extinctie ligt in Siberië. Daar kwamen 250 miljoen jaar geleden enorme hoeveelheden lava aan het oppervlak. In totaal stortten vulkanen zo’n 1 tot 5 miljoen kubieke kilometer lava over de aarde uit. Dat proces bracht enorme hoeveelheden broeikasgassen (koolstofdioxide en methaan) in de atmosfeer. Het leven op land stierf uit door snelle klimaatverandering.

Maar het leven in zee stierf pas 300.000 jaar later uit. „We zagen wel kleine veranderingen in het watermilieu, maar echte gevolgen bleven uit,” zegt Martin Schobben, aardwetenschapper aan de Universiteit Utrecht, en hoofdauteur van het onderzoek. De reden, concluderen Schobben en collega’s, is dat het honderdduizenden jaren duurde voordat fosfor zich ophoopte in de oceanen. Ze werken een hypothese uit hoe dat in zijn werk kan zijn gegaan.

Het element fosfor is een voedingsstof voor algen. Hoe meer fosfor in de oceaan, hoe meer algengroei. En hoe meer algen, hoe meer dood organisch materiaal op de zeebodem belandt. Bacteriën die deze dode algen afbreken, verbruiken daarbij zuurstof. „Al deze processen kunnen leiden tot een zuurstoftekort in de oceaan”, zegt Schobben.

Verwering ging sneller

Dat er toentertijd meer fosfor de oceaan in spoelde, is terug te leiden op een veranderd klimaat. Hogere temperaturen zorgden voor meer chemische verwering van gesteente op het land, omdat chemische processen sneller verlopen. Daarnaast steeg ook de fysische verwering door extremere regenval. „Al deze verwering resulteerde in het vrijkomen van fosfor uit gesteente, en daarmee een verhoogde toevoer naar de oceaan”, zegt Schobben.

Maar in zee leidde dat niet meteen tot massaal uitsterven van soorten. Dat leiden de onderzoekers af uit analyse van de boorkernen van Spitsbergen, waaraan ze de hoeveelheid fosfor in het water door de tijd konden aflezen. Ze concluderen dat het fosfor lange tijd efficiënt afgevangen werd door het eveneens vanaf land aangevoerde ijzerrijke sediment, dat op de zeebodem terechtkwam. Fosfor bindt daaraan.

Toch ging het uiteindelijk mis. De oorzaak hiervoor ligt weer aan land, waar een verandering van verwering optrad doordat hoge bomen plaatsmaakten voor laaggroeiende gewassen. Waar lava aanvankelijk vooral óver het land stroomde, ontstonden er vaker sill intrusions, waarbij lava dwars door gesteente kan vloeien. Door dit proces kwamen vluchtige halogeenalkanen vrij, die de ozonlaag aantastten. „Dit zorgde voor meer uv-B-straling op aarde”, zegt Schobben. „Deze straling maakte het dna van planten kapot, waardoor de groei van planten afnam.”

De verandering in vegetatie resulteerde in meer bodemerosie. De versnelde afvoer van sediment verhinderde chemische verwering en leidde tot een afname van de hoeveelheid ijzerrijke mineralen in het water. Fosfor werd niet langer vastgehouden, en circuleerde vrij in het water. Door het toegenomen zuurstofverbruik van algen zetten bacteriën om deze reden niet langer zuurstof om bij de verwerking van dood organisch materiaal, maar sulfaat. „Dat was de druppel”, zegt Schobben. „Het overgrote deel van het zeeleven kwam door de hoge concentratie waterstofsulfide niet meer aan ademen toe, en legde het loodje.”

Correctie 31-8: In een eerdere versie van dit artikel stond dat vulkanen aan het einde van het Perm jaarlijks 1 à 5 miljard kubieke kilometer lava uitstootten. Dat klopt niet, het ging om 1 à 5 miljoen kubieke kilometer in totaal.