Waarom vogels over de Mount Everest kunnen vliegen

Door Walter Murch

Lieve Bella, Chloe en David,

Ik ga Rudyard Kipling nadoen en jullie een 'just-so story' vertellen. Kipling was honderd jaar geleden een van de populairste schrijvers ter wereld. Hij schreef The Jungle Book en ook Just So Stories, die begonnen als bedtijdverhalen voor zijn dochter Josephine. Die verhalen gingen over hoe dieren hun beroemde kenmerken kregen, zoals de bult van de kameel en de vlekken van de luipaard. Kipling was een wonderbaarlijke schrijner, maar hij verzon zijn dierverhalen. Mijn verhaal is gebaseerd op de wetenschap, wat betekent dat veel mensen, via recente experimenten, tot de conclusie zijn gekomen dat de zaken "precies zo" zouden kunnen zijn als in dit verhaal.

Het is ook een verhaal over evolutie, wat in feite de afdeling onderzoek en ontwikkeling (R&D) van de natuur is. Net als Kipling geef ik een menselijke stem aan bepaalde zaken: bacteriën vormen commissies en dienen petities in bij de afdeling onderzoek en ontwikkeling om oplossingen te vinden voor hun problemen, en dat doen planten en dinosaurussen ook. En de R&D-afdeling (oftewel de evolutie) probeert met oplossingen te komen. Ik noem de evolutie "Meneer R&D". Wanneer hij een probleem vindt, test Meneer R&D verschillende dingen om tot een oplossing te komen. Maar soms hebben die oplossingen onvoorziene gevolgen. Dus, hier gaan we!

Hoe kregen vogels zulke geweldige longen?

Ze hebben ze geërfd van de dinosaurussen. Maar waarom hadden dinosaurussen ze?

Op een koude dag in januari was ik aan het joggen in Regent's Park in Londen, waarbij ik voorzichtig stapte tussen groepen ganzen, meeuwen, duiven en eenden rond het bootmeer. Misschien omdat ik net het boek Oxygen van Nick Lane had gelezen, vielen me twee ganzen op die vreemd waren in deze groep: kopgaans, een mannetje en een vrouwtje.

Wat deden zij in januari in Londen? In de winter leven ze gewoonlijk in het midden van India, en in de zomer in Kazachstan of Mongolië. Als je naar een wereldkaart kijkt, zie je dat de barrière tussen Kazachstan en India de Himalaya is, het hoogste gebergte ter wereld. Elk jaar trekken miljoenen kopgaans over de Himalaya, en dat doen ze al miljoenen jaren. Ze zijn gezien op een hoogte van 28.000 voet. Ze zijn over de Mount Everest gevlogen! Hoe doen ze dat?

Het antwoord lijkt te zijn dat kopgaans, net als alle vogels — kolibries, struisvogels, duiven — super-efficiënte longen hebben. Het doet onze longen — en de longen van alle zoogdieren — primitief lijken. Ik ben er zeker van dat vogels, als ze bij elkaar komen, roddelen over hoe triest onze longen zijn!

Het systeem van vogel-longen

Alle zoogdieren, inclusief wij, ademen in via dezelfde opening als waarlangs we uitademen. Kun je je voorstellen als ons spijsverteringsstelsel zo zou werken? Wat als het voedsel dat we in onze mond stoppen, na de vertering via dezelfde weg naar buiten zou komen? Het is een angstaanjagende gedachte! Gelukkig hebben we voor de spijsvertering een aparte ingang en uitgang. En dat is precies wat vogels hebben met hun longen: een inpunt en een uitpunt.

Ze hebben ook luchtzakken en holtes in hun botten. Wanneer ze inademen, gaat de helft van de goede lucht (met zuurstof) naar deze holtes, en de andere helft gaat via de achteringang naar hun longen. Wanneer ze uitademen, gaat de goede lucht die in de holtes is opgeslagen nu ook via die achteringang naar hun longen, terwijl de slechte lucht (koolstofdioxide en waterdamp) via de vooruitgang naar buiten wordt geduwd. Het maakt dus niet uit of vogels inademen of uitademen: goede lucht stroomt altijd in één richting door hun longen en duwt alle slechte lucht voor zich uit.

Hoe kregen vogels zulke geweldige longen? Ze hebben ze geërfd van de dinosaurussen. Vogels zijn dinosaurussen! Toen ik opgroeide in de jaren 40, was er in de biologie een categorie genaamd Aves, wat vogels betekende. Maar wetenschappers hebben Aves nu ondergebracht in een categorie genaamd Dinosauria, en die dinosauria, zoals duiven, meeuwen en ganzen, vliegen vandaag de dag om ons heen. Als je wilt weten hoe een dinosaurus waarschijnlijk smaakte, eet dan een kip!

De strijd tegen de zwaartekracht

Dinosaurussen hadden dit super-efficiënte longsysteem en domineerden de aarde als dominante soort vanaf ongeveer 250 miljoen jaar geleden tot ongeveer 65 miljoen jaar geleden, toen een enorme asteroïde in Mexico insloeg en de meeste van hen uitstierven. Behalve de vogels. Maar waarom hadden dinosaurussen dit super-longsysteem in de eerste plaats?

Om dat te beantwoorden moeten we ver teruggaan, naar de tijd dat planten ongeveer 450 miljoen jaar geleden uit de oceaan naar het land trokken. Daarvóór leefde plantenleven alleen in de oceaan; het oppervlak van de aarde was een woestijn.

Sommige pioniersplanten zagen een kans en zeiden: "Laten we gaan!" en migreerden naar het land. Maar zodra de planten uit het water kwamen, ontdekten ze iets waar ze in de oceaan nooit mee te maken hadden gehad: zwaartekracht. In de oceaan kan een plant gewoon drijven, omdat de dichtheid van een plant niet veel verschilt van die van water. Buiten de oceaan is de dichtheid van een plant veel groter dan die van lucht, waardoor de zwaartekracht hem naar beneden trekt.

Miljoenen jaren lang moesten planten op het land het doen met het feit dat ze, zoals mos, tegen het oppervlak van rotsen aan plakten. Maar ze waren hier niet tevreden mee en besloten een commissie te vormen om een uitzondering aan te vragen bij Meneer R&D.

PC (Plantencommissie): Hallo. Wat is het probleem? Meneer R&D: Wat is jullie probleem? PC: Ons probleem is de zwaartekracht. In de oceaan hadden we daar geen last van, maar op het land is het een probleem. Meneer R&D: Waarom is zwaartekracht een probleem voor jullie? PC: We willen doen wat we in de oceaan deden, namelijk veel zonlicht absorberen. De beste manier om dat te doen is door een lange stengel te hebben, met takken en bladeren aan het uiteinde om ons potentieel om zonlicht te absorberen te maximaliseren. Meneer R&D: Ik begrijp wat jullie willen, maar het zal me wat tijd kosten. Kom over een miljoen jaar of zo maar terug.

De planten wachten een miljoen jaar.

PC: Oké, een miljoen jaar is voorbij! Heb je iets ontdekt? Meneer R&D: Ja, laat me kijken, ik denk dat ik het in de lade heb. Hier is het: lignine. PC: Wat is lignine? Meneer R&D: Het is een star molecule gemaakt van koolstof en waterstof. Als je dit in de cellen van je lichaam absorbeert, zal het reageren met de slappe cellulosemoleculen die je al hebt. Dit creëert een zeer stevige structuur waardoor je cellen als bakstenen worden. Je kunt dan de ene cel op de andere stapelen en zo hoog groeien als je wilt. PC: Hoe hoog? Meneer R&D: Meer dan 300 voet. PC: Wauw!

De planten namen de lignine dankbaar op en het werkte precies zoals Meneer R&D had gezegd. In korte tijd verschenen er overal op aarde stengels, stammen, takken, wortels en bladeren.

Het enige probleem was dat wanneer een van deze bomen het einde van zijn natuurlijke leven bereikte, bacteriën en schimmelsporen klaarstonden om hem af te breken. Maar wanneer ze bij de lignine kwamen, liepen hun "messen" vast: ze konden de lignine niet verteren. Juist datgene wat lignine sterk maakte, versloeg de bacteriën en schimmels van die tijd. Dus deden ze wat wij doen als we een kippendiner eten: ze aten al het vlees op en lieten de botten liggen — in dit geval de lignine.

Uiteindelijk stierf er weer een boom en viel deze op de eerste, en hetzelfde gebeurde opnieuw, en nog een keer, en zo ging het door voor honderdduizenden, miljoenen en tientallen miljoenen jaren. Uiteindelijk werden over een periode van 100 miljoen jaar dode bomen, varens en onverteerde lignine onder het oppervlak van de aarde afgezet. We noemen de tijd waarin dit het meeste gebeurde het Carboon-tijdperk (koolstof-makende periode).

De zuurstofpiek en de giganten

Onthoud dat evolutie soms onvoorziene gevolgen heeft. Deze afzetting van lignine veroorzaakte een zuurstofgolf in de atmosfeer. Voor elk koolwaterstofatoom dat in de aarde terechtkomt, wordt er namelijk geen zuurstofatoom verbruikt in het verrotingsproces. Enorme hoeveelheden koolstof (lignine) gingen de aarde in, waardoor enorme hoeveelheden zuurstof zich in de atmosfeer ophopten. Tegenwoordig bestaat de atmosfeer voor 21 procent uit zuurstof. Maar ongeveer 300 miljoen jaar geleden was dat ruim 30 procent.

Er was zoveel zuurstof dat insecten, die zeer inefficiënte manieren van ademen hebben, enorm groot konden worden. Libellen hadden een spanwijdte van ongeveer drie voet en duizendpoten waren acht voet lang. Amfibieën — kikkers en dergelijke — hebben ook inefficiënte longen, maar konden in die tijd zo groot worden als een eettafel.

De micro-organismen van die tijd merkten deze zuurstofgolf uiteindelijk op. De insecten en amfibieën maakten zich geen zorgen, want zij waren afhankelijk van die rijke zuurstofbron. De nu bezorgde micro-organismen brachten hun commissie (MC) bijeen en gingen naar Meneer R&D.

Meneer R&D: Hallo, wat kan ik voor jullie doen? MC: We denken dat er een gevaarlijke situatie ontstaat, want de zuurstofgehaltes stijgen elk jaar en ze liggen nu misschien wel op 35 procent. Meneer R&D: En? MC: Door de onverteerbare lignine is er niets dat de stijging tegenhoudt. Meneer R&D: Ik zie je punt. Want bij 43 procent zal een blikseminslag de hele atmosfeer doen ontbranden, omdat deze zo rijk is aan brandbare zuurstof. Dan is het hele experiment van leven op aarde voorbij. Ja, ik ben het ermee eens dat we iets moeten doen. Geef me een miljoen jaar en ik zal kijken wat ik kan doen.

Een miljoen jaar lang blijft het zuurstofgehalte stijgen. De nog meer bezorgde micro-organismen keren terug naar Meneer R&D.

Meneer R&D: Het slechte nieuws is dat ik jullie niets fysieks kan geven. Maar ik kan jullie een koan geven. MC: Wat is dat? Meneer R&D: Een koan is iets waarover je kunt nadenken en dat je zal helpen in je situatie. Hier is hij: "Om te ontvangen, moet je eerst geven." MC: Wat betekent dat? Meneer R&D: Alles wat ik kan zeggen is: denk erover na, en het zal jullie probleem oplossen.

De micro-organismen vertrekken en debatteren ongeveer 10.000 jaar over de betekenis hiervan. Uiteindelijk wordt er één geniale schimmelcel wakker in het midden van de nacht en denkt: "Ik heb het!" Al die honderd miljoen jaar sinds de uitvinding van lignine hadden ze geprobeerd het te kauwen, maar ze hadden simpelweg niet de capaciteit: de lignine was te hard en zij waren te zacht.

Dankzij deze 'Isaac Newton' van de schimmelsporen beseften ze wat ze moesten doen. Ze moesten een speciaal chemisch enzym afscheiden dat de lignine oplost en extern in kleinere stukjes afbreekt. En zo vonden ze de droogrot uit.

Het verrotingsproces onttrekt zuurstof aan de atmosfeer en bindt dit aan de koolwaterstoffen, waarbij koolstofdioxide (CO2) en water (H2O) vrijkomen. Dit is wat er gebeurt wanneer hout brandt (zeer snelle oxidatie), wanneer we voedsel verteren (matige oxidatie), en wanneer organisch materiaal verrot (langzame oxidatie).

Zodra het geheim van hoe lignine geoxideerd kon worden was ontdekt, begonnen schimmelsporen en bacteriën al het dode hout af te breken dat nog niet gefossiliseerd was. Hierbij werd zuurstof verbruikt, waardoor het zuurstofgehalte in de atmosfeer snel begon te dalen. Het ging van een piek van boven de 30 procent tijdens het Carboon (300 miljoen jaar geleden) naar ongeveer 12 procent aan het einde van het Perm (250 miljoen jaar geleden).

Dit was slecht nieuws voor het grootste deel van het leven op aarde, omdat men verslaafd was geraakt aan dit abnormaal hoge zuurstofgehalte. Negentigvijf procent van al het leven op aarde stierf — gewurgd door een atmosfeer die te weinig zuurstof bevatte. Het was de grootste uitstervingsgolf in de geschiedenis van het leven op aarde.

Sommigen van de vijf procent levensvormen die wél wisten te overleven, gingen naar Meneer R&D en zeiden, met de weinige adem die ze nog over hadden: "We hebben hulp nodig om te overleven met deze kleine hoeveelheid zuurstof."

Het cadeau voor de dinosaurussen

Vijf miljoen jaar later — de tijd die nodig was om dit zeer ingewikkelde systeem te ontwerpen — kwam Meneer R&D met een longsysteem met zowel een ingang als een uitgang, met holle botten en luchtzakken om zuurstofrijke lucht tijdelijk op te slaan. Het was super-efficiënt vergeleken met elk vorig longsysteem en maakte optimaal gebruik van de beperkte zuurstof. De dieren die dit geschenk van Meneer R&D ontvingen, waren de dinosaurussen.

Hun nieuwe longen waren zo efficiënt dat toen het zuurstofgehalte over de volgende tientallen miljoenen jaren langzaam terugsteeg naar 20 procent, dinosaurussen enorm groot konden worden — groter dan landzoogdieren zoals olifanten ooit zijn geworden of zouden kunnen worden. De super-efficiënte longen van veel dinosaurussen konden zuurstof leveren aan elk deel van hun enorme lichamen. En de holle botten hielpen om hun totale gewicht te verminderen. Toen vogels uit dinosaurussen evolueerden, konden ze zeer goed gebruikmaken van dit super-efficiënte longsysteem. Dus dat is hoe dinosaurussen zo groot werden en waarom kopgaans over de Himalaya kunnen vliegen!

Het einde.

De moderne crisis: Meneer VCP

Of dat zou het einde moeten zijn. Maar we hebben nog één personage om te introduceren, en dat is Meneer VCP (Very Clever Primate, oftewel de Zeer Slimme Primaat). Ongeveer 400 jaar geleden ontdekte Meneer VCP dat hij in de grond kon graven en gefossiliseerde lignine kon winnen, die in steenkool was veranderd, om deze te verbranden en de energie vrij te maken die was opgeslagen toen het voor het eerst werd afgezet. Dit stelde de beschaving en populatie van Meneer VCP in staat om in een fenomenaal tempo te groeien. Destijds was dit een succesverhaal. Nu is het een groot probleem geworden.

Negentig procent van alle fossiele brandstoffen — steenkool, olie, gas — die we vandaag de dag verbranden, werden afgezet tijdens het Devoon, Carboon en Perm. Al die koolwaterstoffen worden nu in de atmosfeer gebracht.

De hele beschaving van Meneer VCP is dus gebaseerd op het verbranden van fossiele brandstoffen, wat het resultaat is van een eigenaardigheid in de structuur van lignine en het onvermogen van micro-organismen (bacteriën en schimmels) uit het verre verleden om het af te breken. Het is een geval van "mondiale indigestie".

Door al deze fossiele brandstoffen te verbranden, brengt Meneer VCP koolstofdioxide in de atmosfeer tegen een tempo dat 500.000 keer sneller is dan dat het oorspronkelijk werd afgezet. Dit zorgt ervoor dat de atmosfeer van de planeet zo snel opwarmt dat het binnenkort schadelijk, en misschien fataal, zal zijn voor Meneer VCP, tenzij zijn beschaving een oplossing vindt.

Lieve Bella, Chloe en David, dit is waar we nu staan.

Ik denk dat jullie weten dat Meneer VCP wij zijn. Misschien zou de beschaving, als we nooit fossiele brandstoffen waren gaan verbranden, zijn doorgegaan op het pad waar ze 400 jaar geleden in de tijd van Shakespeare op zat. In die tijd gebruikte de hele wereld zonne-energie — het was alleen zonne-energie die op korte termijn was opgeslagen: in het graan dat we verbouwden voor brood of het hooi dat paarden aten om ons van echte paardenkracht te voorzien. Soms werd de energie helemaal niet opgeslagen — we genoten gewoon van de warmte van de zon om onze groenten en vlees te drogen voor opslag; of de wind die de zeilen van de schepen blies die de wereldzeeën bevoeren; of het water dat als regen was gevallen om de watermolens aan te drijven om ons graan te malen. De langste zonne-opslag was het hout (lignine!) in de bomen die we kapten om als brandstof te verbranden of om houtskool te maken voor smeden. Die bomen waren hooguit 150 of 200 jaar oud.

Wat kunnen we nu doen aan dit probleem? Ten eerste moeten we ons allemaal realiseren dat dit echt een probleem is, en hopen we mensen in machtige posities te overtuigen om er iets aan te doen. Het moeilijke is dat de meeste ouderen zijn opgegroeid met het idee dat olie, steenkool en gas geweldig waren, en het is moeilijk om oude honden nieuwe trucs te leren. Jullie zijn jong en kunnen de situatie helderder zien dan oudere mensen dat kunnen.

Er zijn nu veel goede alternatieven voor het verbranden van fossiele koolwaterstoffen: windmolens, zonnepanelen, getijdenenergie, en zelfs sommige soorten veilige kernenergie zoals thorium-reactoren. Wetenschappers werken ook aan uitvindingen die overtollig koolstofdioxide rechtstreeks uit de atmosfeer kunnen trekken en dit kunnen omzetten in kalksteen (om dingen mee te bouwen: de Egyptische piramides zijn van kalksteen gemaakt) of zelfs in brandstof. Maar deze uitvindingen moeten snel worden opgeschaald. Ze zijn nu ongeveer waar raketten in de jaren 20 waren. Maar in 40 jaar tijd waren mensen met raketten naar de maan gereisd!

De aarde is eigenlijk aan de beurt voor een nieuwe ijstijd* — met ijs van twee mijl dik over Boston, Chicago, Paris en vele andere plaatsen. Maar dat zal nu niet gebeuren. Er ligt al een te dikke atmosferische koolstofdioxide-deken. We moeten de aarde behandelen als ons eigen lichaam. We houden onze temperatuur op 37 graden. Als we het koud hebben, verbranden we meer "brandstof" (voeding) en dat warmt ons op. En als we te warm worden, zweten we en dat koelt ons af. Als we slim en georganiseerd zijn, zouden we de aarde misschien zelfs kunnen transformeren in een planeet met een gereguleerde temperatuur. We zouden dit voor een zeer lange tijd kunnen handhaven, mits we samenwerken. Om dat te doen, hebben we een wereldakkoord nodig dat dit is wat we gaan doen, en dan kunnen we het uitvoeren. Dit is het waard om voor te werken!

Met liefde, van opa Walter uit Londen

***

Bronvermeldingen en aanvullende informatie

Aanbevolen literatuur:

• Beerling, D. The Emerald Planet: How Plants Changed Earth’s History Oxford University Press (2007).
• Krulwich, R. “The Fantastically Strange Origin of Most Coal on Earth,” National Geographic (2016).
• Lane, N. Oxygen: The Molecule That Made the World Oxford University Press (2003).
• Ward, P.D. Out of Thin Air: Dinosaurs, Birds, and Earth’s Ancient Atmosphere Joseph Henry Press, Washington, D.C. (2006).
• Ward, P.D. & Kirschvink, J. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origins and Evolution of Life on Earth Bloomsbury Press, London, United Kingdom (2015).

\Correctie: In het oorspronkelijke artikel stond dat de aarde over ongeveer 500 jaar aan een nieuwe ijstijd toe zou zijn; dit was een miscalculatie. De aarde bevindt zich momenteel in een "interglaciaal", de periode tussen ijstijden, die ongeveer 11.000 jaar duurt. Volgens de USGS hebben de laatste vier interglacialen ongeveer 20.000 jaar geduurd, waarbij het warmste deel een relatief stabiele periode van 10.000 tot 15.000 jaar beslaat.*