540 miljoen jaar geleden verschenen de eerste meercellige dieren op aarde. Vrij snel begon een aantal van deze oerdieren de zeebodem te bewerken. Ze groeven gangen en holen op zoek naar voedsel, en als schuilplaats voor roofdieren. Wat deze dieren echter niet wisten, is dat door deze ‘graafrevolutie’ een klimaatsverandering op gang kwam, die 100 miljoen jaar lang voor een warme planeet en een zuurstofarme oceaan zorgde, wat dramatische gevolgen had voor het jonge leven op aarde.    

Elke tuinier kent het belang van aardwormen voor zijn (moes)tuin. De activiteit van wormen helpt om de bodem te draineren en te verluchten. Ook breken ze door hun beweging en via hun spijsvertering de planten- en dierenresten in de bodem af, waardoor essentiële voedingsstoffen vrijkomen die nieuwe planten helpen groeien. Een mooi voorbeeld van recyclage! Deze processen worden samen ‘bioturbatie’ genoemd. De sedimenten die de oceaanbodem bedekken, worden op een soortgelijke manier verstoord door verschillende soorten bioturbatoren, zoals mariene wormen. Wanneer dieren in het sediment leven wordt er meer organisch materiaal gerecycleerd en wordt de bodem beter verlucht.

Onderzeese wormen doen net als de regenwormen in je tuin aan bioturbatie. Ze verluchten de bodem en recycleren materiaal.

Het recycleren van organisch materiaal in de zeebodem is heel vergelijkbaar met het verbranden van fossiele brandstof. Olie en steenkool zijn organisch materiaal dat ooit in de zeebodem begraven werd en diep in de aarde aan hoge temperatuur en druk blootgesteld werden. Wanneer je olie en steenkool verbrandt, consumeer je zuurstof en produceer je koolstofdioxide. Dieren die organisch materiaal in de zeebodem verteren en omwoelen, doen exact hetzelfde.

Wetenschappers kennen het belang van bioturbatoren voor het milieu al heel lang. Charles Darwin beschreef al in 1881 het belang van aardwormen voor de afbraak van organisch materiaal in zijn laatste boek ‘The formation of vegetable mould through the action of worms with observation of their habits’. Het verschil tussen een sediment met bioturbatoren en een sediment zonder bioturbatoren is dan ook heel groot. Op één van de sites die we bestudeerden, een zoutpolder in Engeland, kan je met het blote oog de twee types onderscheiden. Het sediment zonder bioturbatoren is zwart, wat wijst op hoge concentraties aan organisch materiaal, terwijl het sediment met bioturbatoren grijs is.

De zwarte aarde werd niet gebioturbeerd, de grijze wel.

In het begin van het Cambrium (ongeveer 520 miljoen jaar geleden), veranderde de gehele zeebodem. Op dat moment waren de zuurstofconcentraties in de atmosfeer hoog genoeg om meercellig leven toe te laten, wat leidde tot een keerpunt in de evolutie die ‘de Cambrische explosie’ genoemd wordt. De eerste meercellige dieren koloniseerden snel de zeebodem, en zorgden via de ‘graafrevolutie’ voor de overgang naar een zeebodem die gebioturbeerd was. Zo’n drastische verandering zou moeten terug te vinden zijn in sedimenten van die tijd. Met dit idee stapte ik naar Simon Poulton en Benjamin Mills, onderzoekers aan de Universiity of Leeds. Beiden zijn experten in het reconstrueren van de geochemische evolutie van de aarde (over miljarden jaren). Samen met hen ging ik naar paleontologisch bewijs zoeken voor deze biologische ‘graafrevolutie’, en het effect op de geologische en chemische evolutie van onze planeet.

Sporen van biotubatie op de zeebodem.

En inderdaad! We vonden bewijs voor een verlaging van zuurstofconcentraties in de oceaan rond die tijd. Het probleem was echter dat grondiger onderzoek van deze oude sedimenten aantoonde dat deze eerste bodemdiertjes niet heel actief waren, en ook niet zo diep in de zeebodem groeven (1-2 cm, terwijl er vandaag dieren zijn die 10 cm diep graven). Dit was voor ons een heel verrassende observatie.

Tot we erachter kwamen dat de grootste veranderingen tijdens de Cambrische explosie wel degelijk veroorzaakt werden door de kleinste levensvormen, die niet diep in de zeebodem groeven.

Deze studie werd gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke vakblad Nature. Ze was het resultaat van een intense samenwerking tussen een groot team van internationale wetenschappers. Hierboven afgebeeld: mijn collega Silvia Hidalgo Martinez, mijn promotor Filip Meysman en ikzelf. Je kan het volledige artikel hier lezen: https://rdcu.be/26qB

Dit inzicht was het ontbrekende stuk van de puzzel. Samen met Timothy Lenton, professor aan de University of Exeter, konden we een mathematisch model van de aarde 520 miljoen jaar geleden opstellen. Op die manier konden we de grote veranderingen reconstrueren die na de graafrevolutie in de atmosfeer en oceaan optraden. Wanneer we deze simulatie draaiden, werden we opnieuw verrast. Niet alleen zorgden deze dieren voor een verlaging van de zuurstofconcentraties in de oceaan en de atmosfeer, ook verhoogden ze de koolstofdioxideconcentraties in de atmosfeer zo sterk dat ze klimaatsopwarming in gang zetten. Op het evolutionaire ontstaan van de eerste bodemdiertjes volgde een periode van 100 miljoen jaar waarin het klimaat heet en de zuurstof in de oceaan minimaal was.

Ironisch genoeg zorgde de levensstijl van de eerste bodemdieren dus voor een ongunstig klimaat om te overleven, wat waarschijnlijk bijdroeg aan een aantal van de massale sterftes die plaatsvonden in de 100 miljoen jaar die volgden op het ontstaan van deze dieren. Er is een interessante parallel tussen die eerste bodemdieren en de huidige – menselijke – dieren te maken. De eersten veranderen de wereld onbewust op een manier die catastrofale gevolgen had voor henzelf. De mensheid is nu ook voor een warmer klimaat aan het zorgen, en de zuurstofconcentraties in de oceaan gaan naar beneden. Dit kan rampzalige gevolgen hebben voor onszelf en voor al het andere leven waarmee we de planeet delen.