De slechtste tijd om te leven in de geschiedenis van de aarde is ontegenzeggelijk het eind-Permian, ongeveer 250 miljoen jaar geleden. In deze periode vond het grootste uitstervingsevenement ooit plaats, waarbij 97% van alle soorten uitroeide, een gebeurtenis die zo ernstig was dat hij de naam ‘Het Grote Sterven’ kreeg.
De schuld voor deze gebeurtenis werd meestal gelegd bij enorme vulkaanuitbarstingen die in diezelfde periode plaatsvonden. Maar nu, in een nieuwe analyse, stellen onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) dat de massa-extinctie kan zijn veroorzaakt door microben. Deze microben leidden tot een verstoring van de koolstofcyclus die milieuschokken veroorzaakte, zoals opwarming van de aarde en verzuring van de oceanen. De schokken roeiden soorten in groten getale uit over een periode van tienduizenden jaren – een blip op geologische schalen.
Gevoelde als het einde der tijden
De uitsterving aan het einde van het Perzisch, die ongeveer 250 miljoen jaar geleden plaatsvond, is de ernstigste van vijf bekende massa-extincties. De laatste trilobieten – een robuuste zeesoort die twee eerdere massale uitstervingen had overleefd – gingen eraan. Hoewel landplanten overleefden, verdwenen bijna alle bossen. Erger nog, het is de enige bekende uitsterving waarbij zelfs insecten niet werden gespaard.
Om een gebeurtenis van deze omvang te laten plaatsvinden, moet er heel wat mis zijn gegaan. In die tijd bestond de wereld uit één supercontinent, Pangea. Deze grote landmassa heeft, door de dynamiek van de koolstofcyclus met subducterende platen te veranderen, de temperatuur op aarde mogelijk opgedreven tot het hoogste niveau ooit.
Dan hebben enorme uitbarstingen in Siberië in de loop van ongeveer een miljoen jaar basalten doen ontstaan die een gebied bedekten dat ongeveer zeven maal zo groot was als Frankrijk. Dit kan het milieu over een omslagpunt hebben geduwd door nog meer kooldioxide in de atmosfeer te brengen. Daardoor zouden de oceanen zijn gaan verzuren, waardoor meer zeeleven zou zijn gestorven, en zouden zijn opgewarmd, waardoor bevroren methaan zou zijn vrijgekomen. Het resultaat van dit alles zou een “op hol geslagen” klimaat zijn geweest dat bleef opwarmen en meer zuurstof aan het milieu onttrok.
De machtige microbe
Maar Daniel Rothman van het MIT denkt dat de cijfers niet kloppen. “De veranderingen in de koolstofkringloop wereldwijd zijn moeilijk te rijmen met alleen vulkanische activiteit in Siberië,” zei hij.
Zijn berekeningen, zojuist gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, lieten doorschemeren dat iets anders het op hol geslagen gebeuren moet hebben veroorzaakt. Eén hypothese was dat microbieel leven daarvoor verantwoordelijk kan zijn geweest.
“Deze hypothese is niet zo ongehoord als hij lijkt. Immers, ongeveer 2,4 miljard jaar geleden waren het microben in de vorm van cyanobacteriën die onze atmosfeer al zijn zuurstof gaven,” voegde Rothman eraan toe. Die periode, die de “Great Oxygenation Event” wordt genoemd, doodde ook de meeste organismen die waren aangepast aan het gebrek aan zuurstof en begon een van de langste koude periodes in de geschiedenis van de aarde. Microben kunnen dus zeker een wereldwijde impact hebben.
Met collega’s van het MIT keek Rothman naar de evolutionaire geschiedenis van de Aarde en ontdekte de opkomst van een bepaald type microbe dat zich rond de tijd van het Grote Sterven voordeed. Die microbe, Methanosarcina genaamd, was in staat organisch materiaal te verteren en methaan te produceren. (Moleculair biologen van het MIT hebben aangetoond dat Methanosarcina dit vermogen heeft ontwikkeld dankzij de overdracht van één enkel gen uit de Clostridia klasse van bacteriën.)
Rothman wist dat het chemische proces dat betrokken was bij het ontstaan van methaan, afhankelijk was van het metaal nikkel. Hij ging op zoek naar bewijs dat Methanosarcina in die tijd floreerde in de sedimentaire laag van het Meishan gebied in China. Als het milieu in die tijd meer nikkel bevatte dan normaal, dan zou dat in de sedimenten te vinden zijn.
Rothman koos de Meishan regio om naar nikkel te zoeken omdat het een bijzonder goed bestudeerde regio is. De sedimentaire lagen zijn gebruikt om verschillende perioden van de geologische geschiedenis van de aarde te markeren en te standaardiseren, en zij omspannen de periode van het Grote Sterven.
De zoektocht was succesvol. Er was inderdaad een grotere hoeveelheid nikkel in de sedimenten die in die periode waren afgezet. Methanosarcina zou niet alleen effectief zijn geweest in het maken van methaan – zij zouden hebben gefloreerd.
Het nikkel, suggereert Rothman, zou zijn toegevoegd aan de oceanen, waar Methanosarcina leefde en groeide, door de voortdurende vulkanische activiteit in Siberië. De groeiende hoeveelheid nikkel, getransporteerd door oceaanstromingen, zou meer Methanosarcina in staat hebben gesteld organisch materiaal om te zetten in methaan, dat door reacties met zuurstof zou zijn omgezet in kooldioxide. Dit zou hebben geleid tot hogere temperaturen op aarde en verzuring van de oceanen. Dit laatste zou samen met het verlies van zuurstof (verbruikt bij de vorming van kooldioxide) het uitsterven in de oceanen hebben versneld. En de dode organismen zouden Methanosarcina hebben voorzien van meer organisch materiaal om te verteren.
Kortom, een microbiële innovatie kan de balans hebben doen doorslaan en de Grote Sterfte hebben veroorzaakt.
Marc Reichow van de Universiteit van Leicester blijft sceptisch over deze resultaten. Hij stelt dat er geen bewijs is dat het verhoogde nikkel afkomstig is van Siberische vulkanen. Rothman is het ermee eens dat met de huidige gegevens de bron van het nikkel niet kan worden vastgesteld.
“Dit is een interessante hypothese, maar ik denk dat het Grote Sterven het gevolg was van vele ‘moordmechanismen’ in plaats van één enkel mechanisme dat hier wordt gesuggereerd,” zei Reichow.
Er is ook twijfel over de precieze periode waarin Methanosarcina zich feitelijk heeft ontwikkeld. De huidige technieken om de oorsprong te schatten op basis van DNA-volgordeverschillen hebben een enorme foutmarge, wat betekent dat het ver voor of na het Grote Sterven kan zijn geweest.
Rothman geeft toe dat er beperkingen zijn. “Wij geloven dat vulkanisme alleen deze uitsterving niet kan hebben veroorzaakt. In plaats daarvan hebben we de discussie verbreed door te suggereren dat het mogelijk is dat microben deze gebeurtenis hebben veroorzaakt.”
“De implicaties voor vandaag zijn dat er vele manieren zijn waarop natuurlijke fluctuaties in de koolstofcyclus van de aarde kunnen optreden. Bij het bestuderen van de veranderingen die nu in de koolstofcyclus optreden, moeten we proberen zoveel mogelijk van die manieren in overweging te nemen om toekomstige voorspellingen te kunnen doen.”