Geologie: Feurige Gasbremse
Es dauerte 300 Millionen Jahre, bis die Erfindung der Sauerstoff freisetzenden Fotosynthese die Erdatmosphäre anhaltend veränderte. Noch immer rätseln Geowissenschaftler, warum sich der Prozess so verzögerte. Bremsten reduzierende Gase aus Vulkanen?
© Mark Barley (Ausschnitt)
Giftiger Abfall revolutionierte vor 2,4 Milliarden Jahren unseren Planeten: Sauerstoff, freigesetzt von Cyanobakterien als Restprodukt ihrer Energiegewinnung. Die damalige "große Oxidation" hatte die Konzentration dieses heute für viele essenziellen Gases von so gut wie nichts auf etwas mehr als 0,001 Prozent des heutigen Wertes ansteigen lassen – vielleicht auch deutlich mehr, die Daten schwanken. Und mag das auch mager klingen, der Effekt war enorm, ebnete er doch der uns vertrauten Lebewelt erst ihren Weg.
Der Straßenbau aber ging nur langsam vonstatten, denn die ersten Spuren von Cyanobakterien finden sich bereits 300 Millionen Jahre früher, doch keine Anzeichen, dass sich ihre Aktivität auf die frühe Atmosphäre niedergeschlagen hatte. Wo also war der Sauerstoff in dieser Zeit geblieben? Die meisten bisherigen Erklärungsansätze bauen darauf auf, dass es damals bereits Prozesse mit einem hohen Verbrauch von O2 gab. Eisen-Ionen in den Meeren beispielsweise könnten das im Wasser gelöste Gas gebunden haben. Auch die Zersetzung toter organischer Materie zehrt Sauerstoff-Vorkommen schnell auf – der spätere Anstieg wird daher von manchen Wissenschaftlern damit erklärt, dass plötzlich mehr Material in tiefere Regionen verfrachtet und somit der Zersetzung entzogen wurde.
Doch wirklich zufriedenstellend und allgemein akzeptiert ist bislang kein Vorschlag. Lee Kump von der Staatsuniversität Pennsylvania und Mark Barley von der Universität von Westaustralien in Crawley präsentieren daher eine weitere Idee: Eine grundlegende und plötzliche Veränderung im Vulkanismus des jungen Planeten könnte den Anteil reduzierender, also mit Sauerstoff reagierenden Gasen massiv verringert und so die Anreicherung ermöglicht haben.
Die Wissenschaftler hatten ausgewertet, welchen Anteil Vulkane am Meeresboden und jene auf den ersten Festlandskernen am gesamten Eruptionsgeschehen hatten. Dabei stellten sie einen abrupten Wechsel an der Grenze zwischen Archaikum und Proterozoikum vor 2,5 Milliarden fest: Während zuvor vor allem die unterseeischen Feuerberge spuckten, verlagerten sich die Ausbrüche danach verstärkt an Land, das inzwischen durch das Verschmelzen erster kontinentaler Fragmente entstanden war.
Kump und Barley halten es nicht für Zufall, dass dieser Wechsel gleichzeitig mit dem Anstieg der O2-Konzentrationen auftritt. Denn die Verlagerung hat unmittelbare Folgen für den Sauerstoffhaushalt: Unterwasser-Vulkane sind bei deutlich geringeren Temperaturen aktiv und setzen vor allem reduzierende Gase wie Wasserstoff oder Schwefelwasserstoff frei. Eruptionen an Land spucken hingegen vermehrt bereits oxidierte Gase wie Kohlendioxid in die Luft und zehren daher vergleichsweise deutlich weniger Sauerstoff. Weil sie damals die Oberhand gewannen, konnte sich O2 anreichern, erklären die Forscher.
Endgültig die Diskussion beenden wird aber auch dieser Vorschlag wahrscheinlich nicht. So stellen manche Wissenschaftler die Vorstellung in Frage, die Sauerstoff-Gehalte wären ab einem bestimmten Zeitpunkt kontinuierlich gestiegen – sie vermuten eher ein Jo-Jo-artiges Auf und Ab, das bereits vor weit mehr als 2,4 Milliarden Jahren einen ersten O2-Schub gesehen hätte, gefolgt von mindestens einem Einbruch und folgendem erneutem Anstieg. Andere Forscher zweifeln grundsätzlich das erste Auftreten von Cyanobakterien und damit den Beginn der biologischen Sauerstoff-Erzeugung vor 2,7 Milliarden Jahren an: Manche sehen den Start weit früher, andere später. Letzteres würde das Problem des verzögerten Auftauchens in der Atmosphäre sogar ganz beseitigen.
Die Sauerstoff-Konzentrationen von heute erreichte die Atmosphäre übrigens erst vor etwa 600 Millionen Jahren – wieder mit revolutionärem Erfolg: In dieser Zeit entstanden die grundlegenden Baupläne der heutigen Tierwelt.
Der Straßenbau aber ging nur langsam vonstatten, denn die ersten Spuren von Cyanobakterien finden sich bereits 300 Millionen Jahre früher, doch keine Anzeichen, dass sich ihre Aktivität auf die frühe Atmosphäre niedergeschlagen hatte. Wo also war der Sauerstoff in dieser Zeit geblieben? Die meisten bisherigen Erklärungsansätze bauen darauf auf, dass es damals bereits Prozesse mit einem hohen Verbrauch von O2 gab. Eisen-Ionen in den Meeren beispielsweise könnten das im Wasser gelöste Gas gebunden haben. Auch die Zersetzung toter organischer Materie zehrt Sauerstoff-Vorkommen schnell auf – der spätere Anstieg wird daher von manchen Wissenschaftlern damit erklärt, dass plötzlich mehr Material in tiefere Regionen verfrachtet und somit der Zersetzung entzogen wurde.
Doch wirklich zufriedenstellend und allgemein akzeptiert ist bislang kein Vorschlag. Lee Kump von der Staatsuniversität Pennsylvania und Mark Barley von der Universität von Westaustralien in Crawley präsentieren daher eine weitere Idee: Eine grundlegende und plötzliche Veränderung im Vulkanismus des jungen Planeten könnte den Anteil reduzierender, also mit Sauerstoff reagierenden Gasen massiv verringert und so die Anreicherung ermöglicht haben.
Die Wissenschaftler hatten ausgewertet, welchen Anteil Vulkane am Meeresboden und jene auf den ersten Festlandskernen am gesamten Eruptionsgeschehen hatten. Dabei stellten sie einen abrupten Wechsel an der Grenze zwischen Archaikum und Proterozoikum vor 2,5 Milliarden fest: Während zuvor vor allem die unterseeischen Feuerberge spuckten, verlagerten sich die Ausbrüche danach verstärkt an Land, das inzwischen durch das Verschmelzen erster kontinentaler Fragmente entstanden war.
Kump und Barley halten es nicht für Zufall, dass dieser Wechsel gleichzeitig mit dem Anstieg der O2-Konzentrationen auftritt. Denn die Verlagerung hat unmittelbare Folgen für den Sauerstoffhaushalt: Unterwasser-Vulkane sind bei deutlich geringeren Temperaturen aktiv und setzen vor allem reduzierende Gase wie Wasserstoff oder Schwefelwasserstoff frei. Eruptionen an Land spucken hingegen vermehrt bereits oxidierte Gase wie Kohlendioxid in die Luft und zehren daher vergleichsweise deutlich weniger Sauerstoff. Weil sie damals die Oberhand gewannen, konnte sich O2 anreichern, erklären die Forscher.
Endgültig die Diskussion beenden wird aber auch dieser Vorschlag wahrscheinlich nicht. So stellen manche Wissenschaftler die Vorstellung in Frage, die Sauerstoff-Gehalte wären ab einem bestimmten Zeitpunkt kontinuierlich gestiegen – sie vermuten eher ein Jo-Jo-artiges Auf und Ab, das bereits vor weit mehr als 2,4 Milliarden Jahren einen ersten O2-Schub gesehen hätte, gefolgt von mindestens einem Einbruch und folgendem erneutem Anstieg. Andere Forscher zweifeln grundsätzlich das erste Auftreten von Cyanobakterien und damit den Beginn der biologischen Sauerstoff-Erzeugung vor 2,7 Milliarden Jahren an: Manche sehen den Start weit früher, andere später. Letzteres würde das Problem des verzögerten Auftauchens in der Atmosphäre sogar ganz beseitigen.
Die Sauerstoff-Konzentrationen von heute erreichte die Atmosphäre übrigens erst vor etwa 600 Millionen Jahren – wieder mit revolutionärem Erfolg: In dieser Zeit entstanden die grundlegenden Baupläne der heutigen Tierwelt.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.