Geologie: Schleichend oder schlagartig?
Vor 2,4 Milliarden Jahren war aus einem Gift ein Lebenselixier geworden: Die Organismenwelt der Erde hatte sich von einem anaeroben Lebenstil auf eine Sauerstoffumgebung eingestellt - von Ausnahmen wie immer abgesehen. Warum aber dauerte es 300 Millionen Jahre, bis es so weit war?
© Nasa (Ausschnitt)
Es war einmal, vor langer, langer Zeit – das Leben hatte sich auf dem jungen Planeten Erde schon ganz ordentlich eingerichtet –, da entwickelte sich eine revolutionäre neue Idee: Warum nicht das Sonnenlicht nutzen, um aus Wasser und Kohlendioxid komplexere Moleküle herzustellen? Diese könnten eine ganze Reihe von Aufgaben im noch einkammrigen Zellinnenleben übernehmen. Dumm nur, dass dabei als reines Abfallprodukt ein Gas entstand, das für die meisten Nachbarn der Erfinder höchst giftig war: Sauerstoff.
Wann, wo und wie das geschah, liegt heute im Dunkeln der Erdgeschichte. Nur uralte Sedimente aus jenen Zeiten überliefern durch bestimmte Isotopen-Verhältnisse, wie sauerstoffhaltig ihre Ablagerungsgegend damals schon war. So wissen Forscher heute, dass wahrscheinlich vor 2,4 Milliarden, auf jeden Fall aber vor 2,3 Milliarden Jahren Sauerstoff zum Leben gehörte – wer damit nicht zurecht kam, musste sich in abgeschiedene Ecken wie Meeresböden, Sümpfe oder ähnliches zurückziehen.
Sie wissen aber auch, dass die ersten Organismen wohl schon vor 2,7 Milliarden Jahren den neuen Weg der Fotosynthese einschlugen: Sedimente organischer Überreste aus dieser Zeit zeigen ein charakteristisches Muster der Kohlenstoff-Isotope, die auf einen entsprechenden Stoffwechsel hindeuten. Genau diese Signatur erkannten auch Jennifer Eigenbrode und Katherine Freeman von der Pennsylvania State University in einer Gesteinsabfolge im westaustralischen Pilbara [1].
Jene Schichten bieten den Glücksfall, Sedimente aus unterschiedlichen Tiefen zu enthalten – neben flachen Küstenbereichen auch den Blick in die Tiefe zu gewähren. Die Wissenschaftlerinnen entdeckten die Fotosynthese-Signatur allerdings nur in den Flachwasserregionen. Während sich die Lebewelt dort also schon an Sauerstoff angepasst hatte, hinkten ihre Zeitgenossen in tieferen Wasserschichten dem noch hinterher: Hier hielt das heute so fundamentale Gas tatsächlich erst Millionen Jahre später Einzug. Daraus schließen Eigenbrode und Freeman, dass solche Flachwasserzonen – oder "Sauerstoff-Oasen" – die Keimzellen für die neue Errungenschaft darstellten, von denen aus sie sich verbreitete.
Womit sich wieder die alte Frage stellt: Warum hat das so lange gedauert? Schließlich sind 300 Millionen Jahre selbst bei Geologen kein Pappenstiel. Und sollte die Fotosynthese als effiziente Energiegewinnung auch Startschwierigkeiten gehabt haben, weil sie ihre Umwelt radikal veränderte – hätte es nicht trotzdem schneller gehen müssen?
Hier haken Colin Goldblatt von der Universität von East Anglia in Norwich und seine Kollegen ein – und zwar anhand desselben Untersuchungsgebiets, der Hamersley-Provinz in Westaustralien. Anders als ihre Kolleginnen kommen sie allerdings nicht zu dem Schluss einer allmählichen Ausbreitung von verschiedenen Flachwasserzentren aus. Ihr Szenario ist ungleich dramatischer: Die Atmosphäre habe, so folgern sie aus ihren Simulationen, lange auf einem stabilen Zustand mit sehr niedrigen Sauerstoff-Gehalten verharrt, bis sie nach Überschreiten eines kritischen Wertes plötzlich auf das ebenso stabile, höhere Niveau umschwenkte [2].
Auf die beiden stabilen Extreme mit instabiler Zwischenlage waren die Forscher gekommen, als sie die Folge steigender Sauerstoff-Konzentrationen auf das Gesamtsystem noch einmal genauer betrachteten. Bei niedrigen O2-Gehalten sorgt eine durch UV-Licht angekurbelte Reaktion dafür, dass freier Sauerstoff schnell wieder zur Oxidation von Methan verbraucht wird – dieser Puffer verhindert lange, dass die O2-Werte in der Atmosphäre wirklich zunehmen. Übersteigt jedoch die Sauerstoff-Konzentration irgendwann doch einen kritischen Wert von zwei Hunderttausendstel des heutigen Niveaus, beginne sich eine Ozonschicht zu bilden, erklären die Wissenschaftler. Diese wiederum wirke als UV-Schirm, der die O2-verbrauchende Methan-Oxidation verhindert – und in Form einer positiven Rückkopplung können die Sauerstoff-Gehalte nun fast explosionsartig wachsen.
Mit diesem Modell lösen die Forscher noch ein weiteres Problem, das Geologen plagt: Warum finden sich in Karbonat-Sedimenten zwar die Spuren der "Großen Oxidation" – des Sauerstoffanstiegs –, doch danach scheint alles wieder beim Alten, zumindest was die Kohlenstoff-Isotope betrifft? Ganz einfach: Der O2-Anstieg in der Atmosphäre entstehe primär nicht durch den freigesetzten Sauerstoff der Fotosynthese, sondern dadurch, dass er nicht für den Abbau absinkender toter Organismen verbraucht wird. Goldblatt und Co schließen, dass der plötzliche Sauerstoff-Sprung auf hohes Niveau schon möglich wird, wenn nur drei Prozent mehr organische Materie unoxidiert zu Boden sinken – eine so geringe Menge aber ließe sich in der Kohlenstoff-Signatur nicht nachweisen. Nicht zu vergessen die reduzierenden Gase aus der Umwelt: Schon länger diskutieren Forscher, dass eine Abnahme vulkanischer Aktivität zu dieser Zeit den O2-Anstieg gefördert haben könnte.
Viel Diskussionsstoff jedenfalls bieten die beiden Studien der alten Diskussion um eine damals revolutionäre Entwicklung. Hinzu kommt, dass erst kürzlich Wissenschaftler die bislang verwendeten Anzeichen für Sauerstoff-Mangel wiederum an Sedimenten derselben Region in Zweifel gezogen und ein regelrechtes Konzentrations-Jojo vorgestellt hatten. Welche Erklärung sich letztlich bewährt, werden vielleicht erst unsere Nachkommen herausfinden – in ferner, ferner Zukunft.
Wann, wo und wie das geschah, liegt heute im Dunkeln der Erdgeschichte. Nur uralte Sedimente aus jenen Zeiten überliefern durch bestimmte Isotopen-Verhältnisse, wie sauerstoffhaltig ihre Ablagerungsgegend damals schon war. So wissen Forscher heute, dass wahrscheinlich vor 2,4 Milliarden, auf jeden Fall aber vor 2,3 Milliarden Jahren Sauerstoff zum Leben gehörte – wer damit nicht zurecht kam, musste sich in abgeschiedene Ecken wie Meeresböden, Sümpfe oder ähnliches zurückziehen.
Sie wissen aber auch, dass die ersten Organismen wohl schon vor 2,7 Milliarden Jahren den neuen Weg der Fotosynthese einschlugen: Sedimente organischer Überreste aus dieser Zeit zeigen ein charakteristisches Muster der Kohlenstoff-Isotope, die auf einen entsprechenden Stoffwechsel hindeuten. Genau diese Signatur erkannten auch Jennifer Eigenbrode und Katherine Freeman von der Pennsylvania State University in einer Gesteinsabfolge im westaustralischen Pilbara [1].
Jene Schichten bieten den Glücksfall, Sedimente aus unterschiedlichen Tiefen zu enthalten – neben flachen Küstenbereichen auch den Blick in die Tiefe zu gewähren. Die Wissenschaftlerinnen entdeckten die Fotosynthese-Signatur allerdings nur in den Flachwasserregionen. Während sich die Lebewelt dort also schon an Sauerstoff angepasst hatte, hinkten ihre Zeitgenossen in tieferen Wasserschichten dem noch hinterher: Hier hielt das heute so fundamentale Gas tatsächlich erst Millionen Jahre später Einzug. Daraus schließen Eigenbrode und Freeman, dass solche Flachwasserzonen – oder "Sauerstoff-Oasen" – die Keimzellen für die neue Errungenschaft darstellten, von denen aus sie sich verbreitete.
Womit sich wieder die alte Frage stellt: Warum hat das so lange gedauert? Schließlich sind 300 Millionen Jahre selbst bei Geologen kein Pappenstiel. Und sollte die Fotosynthese als effiziente Energiegewinnung auch Startschwierigkeiten gehabt haben, weil sie ihre Umwelt radikal veränderte – hätte es nicht trotzdem schneller gehen müssen?
Hier haken Colin Goldblatt von der Universität von East Anglia in Norwich und seine Kollegen ein – und zwar anhand desselben Untersuchungsgebiets, der Hamersley-Provinz in Westaustralien. Anders als ihre Kolleginnen kommen sie allerdings nicht zu dem Schluss einer allmählichen Ausbreitung von verschiedenen Flachwasserzentren aus. Ihr Szenario ist ungleich dramatischer: Die Atmosphäre habe, so folgern sie aus ihren Simulationen, lange auf einem stabilen Zustand mit sehr niedrigen Sauerstoff-Gehalten verharrt, bis sie nach Überschreiten eines kritischen Wertes plötzlich auf das ebenso stabile, höhere Niveau umschwenkte [2].
Auf die beiden stabilen Extreme mit instabiler Zwischenlage waren die Forscher gekommen, als sie die Folge steigender Sauerstoff-Konzentrationen auf das Gesamtsystem noch einmal genauer betrachteten. Bei niedrigen O2-Gehalten sorgt eine durch UV-Licht angekurbelte Reaktion dafür, dass freier Sauerstoff schnell wieder zur Oxidation von Methan verbraucht wird – dieser Puffer verhindert lange, dass die O2-Werte in der Atmosphäre wirklich zunehmen. Übersteigt jedoch die Sauerstoff-Konzentration irgendwann doch einen kritischen Wert von zwei Hunderttausendstel des heutigen Niveaus, beginne sich eine Ozonschicht zu bilden, erklären die Wissenschaftler. Diese wiederum wirke als UV-Schirm, der die O2-verbrauchende Methan-Oxidation verhindert – und in Form einer positiven Rückkopplung können die Sauerstoff-Gehalte nun fast explosionsartig wachsen.
Mit diesem Modell lösen die Forscher noch ein weiteres Problem, das Geologen plagt: Warum finden sich in Karbonat-Sedimenten zwar die Spuren der "Großen Oxidation" – des Sauerstoffanstiegs –, doch danach scheint alles wieder beim Alten, zumindest was die Kohlenstoff-Isotope betrifft? Ganz einfach: Der O2-Anstieg in der Atmosphäre entstehe primär nicht durch den freigesetzten Sauerstoff der Fotosynthese, sondern dadurch, dass er nicht für den Abbau absinkender toter Organismen verbraucht wird. Goldblatt und Co schließen, dass der plötzliche Sauerstoff-Sprung auf hohes Niveau schon möglich wird, wenn nur drei Prozent mehr organische Materie unoxidiert zu Boden sinken – eine so geringe Menge aber ließe sich in der Kohlenstoff-Signatur nicht nachweisen. Nicht zu vergessen die reduzierenden Gase aus der Umwelt: Schon länger diskutieren Forscher, dass eine Abnahme vulkanischer Aktivität zu dieser Zeit den O2-Anstieg gefördert haben könnte.
Viel Diskussionsstoff jedenfalls bieten die beiden Studien der alten Diskussion um eine damals revolutionäre Entwicklung. Hinzu kommt, dass erst kürzlich Wissenschaftler die bislang verwendeten Anzeichen für Sauerstoff-Mangel wiederum an Sedimenten derselben Region in Zweifel gezogen und ein regelrechtes Konzentrations-Jojo vorgestellt hatten. Welche Erklärung sich letztlich bewährt, werden vielleicht erst unsere Nachkommen herausfinden – in ferner, ferner Zukunft.
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