De eerste adem

Het verhaal dat het leven zo’n 3 tot 4 miljard jaar geleden ontstond dankzij de evolutie van cyanobacteriën is niet langer houdbaar. Volgens Nick Lane heeft de Aarde pas leven gekend met de evolutie van deze blauwalgen, die tegenwoordig op zo’n 2,7 miljard jaar geleden geschat wordt, zo schrijft hij in NewScientist. Deze nieuwe inzichten zijn recent en zijn boek is dus enigszins verouderd.

Blauwalgen of cyanobacteriën zijn bacteriën (geen algen) die gebruik maken van fotosynthese om in hun energiebehoeften te voorzien. Ze produceren daarbij zuurstof (O₂) en waren de eerste organismen die dat deden. De datum van 2,7 miljard jaar geleden waarop de atmosfeer door toedoen van de  cyanobacteriën van 1 tot 10% zuurstof bevatte, komt overeen met het aanvangen van de stikstofcyclus en de verwering van chroom uit de rotsen die beide met geologisch onderzoek vastgesteld zijn. Vanaf dat moment zijn er toch nog perioden geweest dat het zuurstofgehalte van de atmosfeer weer naar nul ging (zie grafiek). Dit gebeurde na de perioden waarin de Aarde compleet bevroren was, ofwel na de perioden van de Sneeuwbalaarde. Deze perioden hebben te maken met de mogelijkheid dat het geproduceerde zuurstof reageerde met het sterke broeikasgas methaan en daarmee de Aarde sterk deed afkoelen. Het moleculaire zuurstof zelf verdween daarmee ook. De voortdurende vulkaanuitbarstingen brachten opnieuw broeikasgassen in de atmosfeer en de Aarde warmde weer op.

Uit NewScientist: Zuurstofnivo’s gedurende 3,5 miljard jaar

De daarop volgende toename van zuurstof, opnieuw dankzij de cyanobacteriën, zorgde voor verwering van sulfiden, waardoor sulfaten de zee in stroomden. Hier werden ze door bacteriën omgezet in waterstofsulfiden die de zeeën in stinkende en stagnerende wateren veranderden, met bijna geen zuurstof. Deze periode duurde wel zo’n miljard jaar en wordt wel de “boring billion” genoemd. Deze zogenaamde “boring billion” waren eigenlijk allesbehalve saai, want zoals William Martin suggereert, ontwikkelden zich gedurende deze periode de eerste bacteriën die zwavel of stikstof konden ‘ademen’ en zo in hun energiehuishouding konden voozien. Onze mitochondriën (die onze cellen tegenwoordig de zuurtsof doen ademen en daar energie uit opwekken) stammen waarschijnlijk van deze bacteriën af.

Uiteindelijk, na verschillende perioden van Sneeuwbalaarde ging dan toch het zuurstofgehalte omhoog. Een belangrijke doorslag was de groei van algen (rode en groen algen in zee) en van de eerste algen en lichenen op land, zo’n 800 miljoen jaar geleden. Deze laatsten breken de rotsen af en voorzien de zee van mineralen, ofwel voedsel voor het zeeleven. De zuurstof reageerde in eerste instantie ook met het door vulkanen uitgestoten methaan en waterstofsulfide, maar uiteindelijk was de balans ten voordele van de zuurstof.

De fossielen van cyanobacteriën, de zogenaamde fossiele stromatolieten, schijnen niet

Van internet: stromatolieten in Shark Bay

ouder te zijn dan 2,7 miljard jaar. De ‘oudere’ bewijzen voor het bestaan van stromatolieten blijken geen stromatolieten te zijn: het zijn rimpelingen in de zeebodem die ontstonden rondom de hydrothermale bronnen en die uit ijzeroxiden en kleimineralen bestaan.

Een paar dagen geleden werd er door een groep aan de Radboud Universiteit in Nijmegen een onderzoek gepubliceerd over de ontdekking van een nieuwe bacterie. Deze bacterie is in staat zijn eigen zuurstof aan te maken en te verbruiken, door energie uit methaan, nitriet en nitraat te halen. Er wordt gesuggereerd dat de bacterie Methylomirabilis oxyfera kan leven op planeten, en dus ook de Aarde, waar geen zuurstof aanwezig is. Maar nitrieten en nitraten kunnen alleen gevormd worden door de stikstofcyclus, die op haar beurt weer afhankelijk is van andere bacteriën en de aanwezigheid van zuurstof. Dus of deze bacterie Methylomirabilis oxyfera inderdaad in een atmosfeer zonder zuurstof kan leven blijft voor mij een vraag.

Bron: NewScientist

Janine Benyus en biomimicry

Janine Benyus is een biologe die zich inzet voor een dialoog tussen biologen en designers. Zij laat hen zien hoe de natuur allerlei oplossingen biedt voor technische problemen. Deze oplossing houden ook in dat er gewerkt wordt met bioafbreekbaar materiaal.

Biomimetica is eind jaren negentig ontstaan. Het bestudeert de beste ideeën in de natuur en bootst deze na met als doel een productieproces of een product te verbeteren en duurzamer te maken.
De kern van het idee is natuurlijk profijt te trekken uit de 3,8 miljard jaar aan ervaring,

Van internet: Ijsvogel

ontwikkeling en aanpassing van de natuur en zich te baseren op de vorm of het metabolisme van een levend organisme of de interactie die het ontwikkeld heeft met het ecosysteem.

In haar lezingen geeft Janine Benyus ontelbare voorbeelden. Het beroemdste is wel de Japanse bullet train van Shinkansen. Deze trein maakte extreem veel lawaai en elke keer als hij een tunnel in- en uitdook kwam er een vreselijke klap. Nu is de bedrading van de trein bedekt met een coating die de veren van de geruisloos vliegende uil nabootsten, en de neus van de trein heeft de vorm gekregen die de snavel van een ijsvogel naabootst waardoor de klap bij tunnels opgevangen wordt. Deze vogels kunnen namelijk het water induiken zonder een druppeltje op te laten springen.

Een ander interessant voorbeeld is de kalkafzetting van kalk (ketelsteen) in pijpleidingen, een groot probleem. Janine wees de ingenieurs op het feit dat ook schelpen uit calciet bestaan. De schelpdieren produceren een proteine waarop het kalk uit het zeewater neerslaat. Dit gaat niet alsmaar door, want bij de juiste grootte van de schelp wordt er een nieuwe protiene gevormd over de schelp die kalk juist afstoot. De ingenieurs die hun hele carriere al naar oplossingen zochten, vonden dan nu eindelijk de ‘graal’. Ze bekleedden
vanaf toen al hun leidingen met deze laatste proteine en het probleem was voorbij.
Zo bestaat er ook een oliepijpleidingensysteem dat gebruikt maakt van een ‘bloedplaatjes-technologie’. Hier worden kleine scheurtjes in de leiding gedicht met deze artificiële bloedplaatjes die met de olie meestromen. Ze klonteren samen bij kleine scheurtjes en geven met hun lichte radioactiviteit de technici aan waar de problemen zitten.
Een ander voorbeeld is de bultrug die langs zijn vinnen een soort stompe richels heeft zitten die de efficientie met 35% verhogen. Windmolens die deze structuren toepassen kunnen bij erg lage windsnelheden draaien.

Van internet: bultrug en whaleblade

Het gebruik van materialen die bestaan uit slechts de ‘natuurlijke’ elementen van het periodiek systeem, zorgt voor een ecosysteem dat recycled kan worden, alles kan worden afgebroken en weer opnieuw gebruikt worden, net zoals de Aarde dat al 3,5 miljard jaar doet. Uiteindelijk kunnen we niet doorgaan met zeeën en de lucht te vervuilen omdat we niet inventief genoeg zijn geweest. Dat zou toch een blamage voor de mens zijn.

Van internet: volume water en lucht t.o.v. de Aarde

Bekijk ook de lezingen uit TED van Janine Benyus uit 2007 en 2009.
 
Zie voor meer informatie ook de volgende sites
Nog meer voorbeelden: http://images.businessweek.com/ss/08/02/0209_green_biomimic/index_01.htm
sites:
http://www.asknature.org/
http://www.biomimicryinstitute.org/

Gaia versus Medea

Nadat in 1979 het boek Gaia-hypothese van James Lovelock verscheen, waarin de Aarde als een homeostatisch organisme werd voorgesteld, waar het leven zelf nieuwe evenwichten creëert en in stand houdt, is nu een boek verschenen van Peter Ward getiteld ‘the Medea hypothesis’, waarin met voorbeelden uit de geschiedenis van de Aarde wordt aangetoond dat onze planeet wel degelijk kan terugkeren naar een chemisch evenwicht waarbij alle leven zou kunnen verdwijnen. Het chemisch evenwicht is synoniem voor dode planeten. Dit laatste wist ook de scheikundige Lovelock die bij de NASA werkte en altijd beweerde dat het geen zin had om leven op Mars te zoeken, omdat dat een dode planeet is, met een chemisch evenwicht dus. De Gaia-hypothese was net zo optimistisch als dat de Medea-hypothese pessimistisch is.

Gaia

Het meest simpele voorbeeld uit de Gaia-hypothese is dat van een planeet met zwarte en witte madeliefjes. De witte madeliefjes bloeien bij hoge temperaturen en de zwarte bij lage temperaturen. Overheersen de witte madeliefjes dan koelt de planeet af, omdat ze veel licht terugkaatsen, en nemen de zwarte madeliefjes het over. Ze weerkaatsen weinig licht, absorberen dit en de temperatuur gaat weer omhoog. Dan komen er weer steeds meer witte madeliefjes die het zonlicht weerkaatsen en de planeet koelt weer af, tot in het oneindige. James Lovelock geeft dit als voorbeeld van homeostase op planetair niveau en beweert dat dit ook voor de Aarde geldt waar de systemen uiteraard veel complexer zijn. De cyclus van zuurstof en kooldioxide bijvoorbeeld zorgt ervoor dat deze nooit in chemisch evenwicht komen. De basis van deze cyclus wordt gevormd door de voortdurende toestroom van CO₂ die door de vegetatie opgenomen wordt en dan O₂ loslaat en die van de dieren die O₂ ademen en CO₂ uitstoten. James Lovelock beweert: "De Gaia theorie stelt dat de temperatuur, de oxidatiegraad, de zuurtegraad en bepaalde aspecten van gesteente en water constant gehouden worden, en dat deze homeostase door een actieve feedback automatisch en onbewust behouden blijft door de biota”. De Aarde zelf is een organisme.

De Medea-hypothese daarentegen wijst op era uit het verleden van de Aarde waarin alle

Medea

leven uitstierf.
Rond 3,7 miljard jaar geleden stootten methaanproducerende micro-organismen zoveel methaan uit dat dit extreme broeikasgas de temperatuur enorm deed rijzen, waarbij veel levensvormen uitstierven.
Zo’n 2,8 miljard jaar geleden evolueerde de fotosynthese van micro-organismen zo sterk dat er enorme hoeveelheden O₂ geproduceerd werden dat giftig was voor de meeste micro-organismen van toen. Diezelfde fotosynthese absorbeerde dusdanig veel CO₂ dat de Aarde enorm afkoelde en de oceanen compleet bevroren raakten. Deze ijstijd duurde 100 miljoen jaar.
Een derde episode rond 400 miljoen jaar geleden. De Aarde produceert veel CO₂ door vulkanen. Dit CO₂ wordt door het gesteente opgeslagen en daarbij geholpen door de plantenwortels die het gesteente blootstellen aan de atmosfeer. De planten zelf slaan ook veel CO₂ op. Dit opslagsysteem was zo een succes dat er zich wederom een ijstijd van 50 miljoen jaar voordeed waarbij opnieuw veel leven uitstierf.
De massa-extincties van 65 miljoen jaar geleden worden vaak toegeschreven aan inslagen van meteorieten, maar er bestaat ook de theorie dat micro-organismen in warme oceanen enorm groeiden en veel hydrosulfaat produceerden waardoor de lucht vergiftigd werd. Volgens de Gaia-theorie had het leven al deze evenementen moeten compenseren, maar dat is dus niet zo gegaan.  

(Bekijk ook de era van het verleden en de toekomst van de Aarde volgens de Medea-theorie).

Op basis van de Medea-theorie wordt voorzien dat met het heter worden van de zon (die sinds 4,7 miljard jaar 30% harder is gaan schijnen), er een globale opwarming van de Aarde komt, wat de erosie van het gesteente versnelt en wat de opslag van CO₂ weer zal bevorderen. Ook de toename van vegetatie zal hier aan meewerken. In eerste instantie compenseert deze CO₂-opslag de toenemende temperatuur, maar er komt een moment waarop er niet genoeg CO₂ meer is voor fotosynthese. Planten zullen sterven en zo ook de dieren. De CO₂ gaat opnieuw omhoog en de Aarde wordt zo heet dat de oceanen gaan koken. De planeet wordt steriel.

Het zijn twee tegenovergestelde hypothesen en hopelijk heeft de oudere Gaia-hypothese nog steeds een grond van waarheid, want ook al wordt het einde van de levende Aarde volgens Peter Ward geschat op zo’n miljard jaar, de Gaia-planeet is gewoon veel mooier.

Grotendeels uit: New Scientist

HOME

Tot 15 juni is op Youtube een prachtige film van anderhalf uur te zien, over het wel en wee van onze Aarde vooral gedurende de laatste 50 jaar. De film ‘Home’ is geproduceerd door Luc Besson en geregisseerd  door Yann Arthus Bertrand. Het is een non-profitfilm.

De nadruk ligt op het feit dat water, lucht, planten en dieren als ecosystemen met elkaar verbonden zijn. Deze band wordt steeds meer verbroken door de alsmaar snellere ‘vooruitgang’ van de mens. De wereld wordt van bovenaf gefilmd en als in een vliegtuig bezoek je allerlei regio’s die getekend zijn door klimaatverandering, erosie, ontbossing, intensieve landbouw, maar eindigt met de hoopvolle boodschap dat steeds meer landen middelen beschikbaar maken voor alternatieve energiebronnen.

De film is 5 juni op TV en in de bioscopen van 180 landen te zien geweest en werd op 80 pleinen over de wereld geprojecteerd. De film is echt prachtig. Ga hem gauw zien voordat hij niet meer beschikbaar is.

http://www.youtube.com/homeproject