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StartseiteForschung aktuellFrischluft für die Erde17.05.2016

AtmosphäreFrischluft für die Erde

Derzeit besteht die Erdatmosphäre zu 21 Prozent aus molekularem Sauerstoff. Im Laufe der Erdgeschichte schwankte dieser Gehalt jedoch stark - und fehlte während der ersten zwei Milliarden Jahre ganz. Nun konnten Forscher den Zeitpunkt eingrenzen, seitdem das lebensnotwendige Gas in entscheidender Konzentrationen in der Atmosphäre vorhanden ist.

Von Dagmar Röhrlich

Eine Nasa-Aufnahme zeigt die westliche Hemisphäre der Erdkugel (picture alliance / dpa / NASA Goddard Space Flight Center)
Forschern ist es gelungen, die Anfänge des freien Sauerstoffs auf der Erde genauer zu bestimmen. (picture alliance / dpa / NASA Goddard Space Flight Center)

Wer wissen wollte, wann erstmals Sauerstoff in der Erdatmosphäre aufgetaucht ist, der suchte lange Zeit in Milliarde Jahre alten Gesteinen nach - Rost, also nach Anzeichen dafür, dass Eisenminerale wie Katzengold vom Sauerstoff "zerfressen" wurden. Das war die einfachste Methode. Denn Sauerstoff kam erst durch die Cyanobakterien ins Spiel, die ihn über die Photosynthese produzierten. Nun sind die ältesten Fossilien, die Cyanobakterien sein könnten, rund drei Milliarden Jahre alt. Die geochemischen Beweise für freien Sauerstoff - etwa in Form von Rost - bringen es aber nur auf 2,4 bis 2,2 Milliarden Jahre. Danach müssten Cyanobakterien über Hunderte Millionen Jahre hinweg munter Photosynthese betrieben haben, ohne dass sich das Produkt Sauerstoff nachweisen lässt. Auf der Suche nach einer Antwort haben Geochemiker nun den Übergang von einer Erde ohne zu einer mit freiem Sauerstoff erneut datiert.

"Wir konnten den Zeitpunkt nun mit 2,33 Milliarden Jahren vor heute festzurren - und zwar dauerte der Übergang zwischen einer und zehn Millionen Jahren."

Unter geologischen Gesichtspunkten sei das rasend schnell, erklärt Roger Summons vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, MA, und beschreibt die Methode, mit der die Geochemiker gearbeitet haben.

"Wir haben Proben aus Bohrungen in Südafrika genommen, die aus feinkörnigen Sedimenten aus der in Frage kommenden Zeit stammen, und die Schwefelisotope darin analysiert. Der Schwefel wurde damals bei Vulkanausbrüchen in die Atmosphäre geschleudert. In einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre laufen photochemische Reaktionen ab, die die Schwefelisotope nach ihrer Masse fraktionieren. Ohne Sauerstoff fehlt diese Verschiebung. Sie ist so charakteristisch, dass sie Geochemikern als starker Hinweis auf das Vorhandensein von etwas Sauerstoff gilt."

Geochemisches Signal

Etwas Sauerstoff, denn es muss nicht viel sein: Ein Hunderttausendstel des heutigen Gehalts reicht aus für dieses geochemische Signal. Den Isotopenanalysen zufolge muss es damals dann einen regelrechten Sprung gegeben haben:

"Es könnte damals natürlich auch mehr Sauerstoff in der Atmosphäre gewesen sein als dieses Minimum, das können wir nicht sagen. Vor 2,33 Milliarden Jahren jedenfalls ist diese Grenze irreversibel überschritten worden."

Das heißt nicht, dass die Tätigkeit der Cyanobakterien nicht schon davor immer wieder einen Hauch von Sauerstoff in die Luft gebracht haben könnte. Allerdings waren diese Episoden wohl zu kurz, um Signale in den Gesteinen zu hinterlassen. Dass der Übergang von der Welt ohne Sauerstoff zu einer mit innerhalb weniger Millionen Jahren abgelaufen ist, lässt Rückschlüsse zu auf die Ursachen für die große zeitliche Lücke zwischen dem Auftauchen der Cyanobakterien und dem des Sauerstoffs. Roger Summons: 

"Der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre blieb anscheinend niedrig, weil der Vulkanismus ständig Substanzen ausstieß wie Wasserstoff oder Eisen, die mit dem gerade entstandenen Sauerstoff reagierten. Sie saugten ihn wieder auf und verhinderten so, dass er sich anreichern konnte."

Schneeball Erde

Bleibt die Frage, was diesen Sprung vor 2,33 Milliarden Jahren ausgelöst hat. Dafür gibt es einen möglichen Kandidaten:

"Das Ganze hat fast sicher etwas mit Snowball Earth zu tun, dem Schneeball Erde - einer Theorie, der zufolge die Erde einmal ganz oder fast ganz mit Eis bedeckt gewesen sein soll."

Auf einem Schneeball Erde könnte in den Meeren unter einer nicht zu dicken Eisdecke die Photosynthese weiter gelaufen sein. Der Sauerstoff hätte sich über viele Millionen Jahre hinweg im Wasser angereichert - und als der Schneeball dann schmolz, wäre dieser angesammelte Sauerstoff frei geworden und hätte die Bedingungen grundlegend verändert - so eine der Ideen. Diese neue Welt setzte dann eine ganze Kaskade von Ereignissen in Gang - die schließlich zur Entstehung der Tiere führte.

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