Planten Evolutie: Leven uit Licht

Focus (TELEAC / NTR) Van Plant tot Planeet. Leven uit licht (zo 9 sep 2012, 19:25) Documentaire "Planten zijn een stille kracht die de aarde hebben vormgegeven, onze atmosfeer opbouwen en de evolutie van elke diersoort in gang houden".

Deze aardige serie is gebaseerd op de BBC serie How to grow a Planet (met Engelse ondertiteling) olv Schot, Geoloog en Prof. Iain Steward. In de versie, die op de Nederlandse TV vertoond werd, is Iain zoveel mogelijk verwijderd en zijn sappige schotse accent vervangen door een onbestemd smaakloze damesvoice-over. Sommige proefjes worden door een vrouw op dezelfde locatie uitgevoerd dus zal de BBC deze versie wel speciaal gemaakt hebben voor de export. Ik prefereer het aanstekelijke commentaar van Iain.

Voor we wat hoogtepuntjes bespreken gaan we eerst, als een echte leraar, eerst de Coqui-kennis opfrissen en het referentiekader goed vastleggen.

In Sterevolutie van groengasnevel tot zwartkool leerden we dat de aarde een stellaire kernfusie-afvalklomp is uit 9 miljard jaar kernfusie in sterren en supernova's. Op deze ratjetoe-planeet van 4,7 miljard jaar oud is een groot deel van het chemische periodiek systeem beschikbaar voor allerlei leuke scheikundeproefjes.

In Vertebraten evolutie: Dawn leerden we dat na 2,1 miljard jaar = 2,5 miljard jaar geleden de eerste micro-organismen werden gevormd zoals bacteriën en blauw-algen. Cyanobacteriën zouden zelfs al 3,5 miljard jaar geleden op aarde leven.

In De Tiktaalik leerden we over het grote belang van 'levensgas of natuurgas' CO₂.

We gaan 3 miljard jaar terug in de tijd. Er was heel weinig vrij zuurstof en de aardatmosfeer bestond uit giftige gassen (uit methaan(aardgas) en zwaveldioxide en CO₂?) De sterke UV-straling van de zon maakte leven op het droge onmogelijk. In zee wordt die straling gefilterd en daar kon leven ontstaan: de Halobacteriën. Dit zijn eencellige micro-organismen; ze zijn halofiel: ze leven in milieus die verzadigd zijn aan zout. Ze vormen ATP (drager van chemische energie) uit zonlicht via de rose-rood-paarse retinal-kleurstof. De zee kleurde daardoor helemaal paars. Onder deze paarse halo-laag ontstond in zee een nieuw organisme dat zich specialiseerde in het overblijvende licht, groen-blauw dus en dat zijn de blauw-algen of Cyanobacteriën.
De groene kleur van de planten op aarde is dus puur toeval.

Deze groene vroegste voorlopers van onze planten kunnen wat nieuws: ze verkrijgen energie uit de zon via een ingewikkeld chemisch proces: de Fotosynthese.

Fotosynthese, het belangrijkste proces in de natuur. Met water uit de grond of de zee worden suikers en allerhande koolwaterstoffen gevormd met CO₂ uit de atmosfeer. Fotonen worden ingevangen door 'the light harvesting complex'. Er zijn 2 of 12? fotonen nodig om een watermolecuul te splitsen in H en O. Er zijn veel mooie schematische, informatieve, plaatjes van Photosynthesis.
Er is één nadeel, wat later een voordeel zal blijken: er komt een gasvormig afvalproduct bij vrij: zuurstof O₂. Deze zuurstof gaat de atmosfeer van de aarde drastisch veranderen van zuurstofarm en reducerend naar zuurstofrijk en oxiderend.
De grote oxidatiegebeurtenis: Oxygen Catastrophe or Oxygen Crisis.
In de documentaire worden BIF's (Banded Iron Formations) in Kumba ijzererts uit de Sishen Mine getoond van 2,5 miljard jaar geleden. De ijzerlagen zijn roestrood door reactie met zuurstof en bewijzen dat toen voor het eerst zuurstof in de atmosfeer stroomt. Opgelost ijzer in de oceanen reageerde met deze zuurstof waardoor ijzeroxiden (roest) ontstonden die slecht  in water oplosbaar zijn. Deze ijzeroxiden sloegen neer op de zeebodem op een laag anoxische modder.

Uiteindelijk zat er zoveel zuurstof in de atmosfeer dat er hoog in de dampkring ozon werd gevormd die de UV straling absorbeert. Planten konden nu eindelijk (na 2 miljard jaar) verhuizen naar het land = 400 mjg.
O ja en ondertussen gingen de cyanobacterien samenwerken en vormden grote clusters van bladgroenkorrels genaamd plant(en).
Eerste (land)planten Aglaophyton (links) zijn een paar cm hoog. Kale stengels met bolvormige uiteinden. Ze zijn gevonden in Schotland in Rhynie Chert. Ingewikkelde voortplanting met ♂ & ♀ gametofyten waarbij het sperma door regenwater naar de eicellen zwemt. Artist impression van een Devoon Baai met Aglaophyton. Let op geen bladeren dus nog.
Wortels worden wel al snel gevormd om door rotsen heen te dringen -> en zo grond(aarde) te vormen dat water vasthoudt. 40% van de aarde(planeet) is nu bedekt met aarde(grond). Het kost 1000 jaar om 2 cm grond te vormen. Dat is in een miljoen jaar dus 20 meter! Zo konden de planten het land koloniseren. En de dieren durfden nu ook uit het water te komen.

Zoals het op de kop zwemmende levende fossiel Degenkrab, een kreeftachtige geleedpotige die in 500 mj niet veel veranderde en nu nog aan land komt in de US. Kieuwen lijken op longen zodat ze lang buiten het water kunnen leven. Ze leggen eieren op land. 400 mjg komen ze voor het eerst aan land gevolgd door insecten en amfibieën zoals De Tiktaalik.
De degenkrab heeft (hemels)blauw hemocyanide bloed en negen ogen.



Crisis
Als gevolg van het eigen-succes brengen de planten zichzelf in een dampkring-crisis: een CO₂-voedseltekort crisis. Ongeveer 360 mjg is het CO₂-gehalte in de atmosfeer zo sterk gedaald dat de planten niet meer kunnen groeien. Eigenlijk niets nieuws onder de zon: niet-duurzaam verbruik en uitputten van de natuurlijke hulpbron CO₂. Gingen de planten nu het CO₂-verbruik minderen en een eco-tax invoeren? Nee natuurlijk niet: optimaliseren en maximaliseren CO₂ opname met oppervlaktevergroting door vorming van bladeren met stomata zoals bij de Pteropsida, varens en paardenstaarten (pannensponzen) of de boomvaren of de palmvaren. (levende fossielen)

Er verschijnt ook een nieuw type plant, een schubboom met een ligninebast: de Lepidodendron. Tot 30 meter hoog met een stam van een meter diameter.   Lepidodendrons vormen het eerste tropische bos op aarde. Dit ongekende evolutionaire succes leidt tot de vorming van ongebreideld dikke lagen kool, vooral gevuld met het niet makkelijk afbreekbare lignine. Door de enorme opslag van koolstof uit CO₂ tijdens het Carboon of Coal Age (360- 300 mjg) stijgt het gehalte aan afvalproduct zuurstof in de atmosfeer tot wel 40% ipv 21% nu. 40 miljoen jaar = laag aarde(grond) van 400 meter dik. [Waar komt eigenlijk al die CO₂ vandaan tijdens een CO₂-crisis?] Die koollagen zijn wel een rijke bron voor fossielen.

Leidt dat onverantwoord niet-duurzaam omgaan met natuurlijke hulpbronnen niet onvermijdelijk tot een ramp of een crisis, natuurlijk: Carboniferous Rainforest Collapse (CRC)  Klimaatverandering, te lage CO₂ waarden, ijstijd, afname biodiversiteit. Komt onze planeet dat ooit nog te boven, ja hoor maar de Meganeura en de Arthropleura niet.
De Meganeura (rechts) is een grote Libel(le) van 1 meter en de Arthropleura is een duizendpoot van 2 meter. BBC filmpje.
Insecten hebben geen longen maar adembuisjes en de grootte van het dier wordt bepaald door zijn zuurstof-opname (diffusie). Door het hoge zuurstof-gehalte konden de insecten  wel 10 maal zo groot worden.
  

Er leefden vanaf 230 mjg ook hele grote dinosauriërs, veelal vegetariërs zoals de sauropoden (rechts).  Met de lange nek vreten ze tot 12 meter hoog omgerekend 30 balen hooi per dag van de bomen. De planten ontwikkelen daartegen allerlei verdedigingsmechanismen zoals naalden, stekels of chemische wapens.
Anderen, zoals de Reuzen Sequoia's (cipres/conifeer-achtige worden 3000 jaar oud; grootste levensvorm op aarde) gaan de titanenstrijd aan met de vraatdino's en maken gebruik van hun hout om steeds langer te groeien tot wel 90 meter hoog.
We zitten nu op 70 mjg, het klimaat is heel warm en er is geen ijs op de polen. Reuzen sequoia's groeiden overal op aarde.

En dan een toevallige gebeurtenis: inslag van een meteoriet en alle dino's sterven uit. K-T extinctie.
"Uiteindelijk waren de planten de drijvend kracht achter de geschiedenis van ons mensen en het ontstaan van onze beschaving"

Deel II Planten Evolutie: Bloem Kracht.
Deel III Planten Evolutie: Uitdager Gras.