Wissenschaft

Der Atem der Erde

So sah die Erde nicht immer aus. Ohne Sauerstoff war ihre Oberfläche schwarz und ihr Himmel orange.
So sah die Erde nicht immer aus. Ohne Sauerstoff war ihre Oberfläche schwarz und ihr Himmel orange. Nasa / Photoresearchers / Picturedesk.com
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Für das Füllen der Atmosphäre mit Sauerstoff sorgte nicht nur das Leben, auch die Erde war mit ihrer Mechanik, Geologie und Chemie am Werk.

Am Anfang, vor 4,5 Milliarden Jahren, war die Erde nicht nur wüst und leer, sie sah auch völlig anders aus: Ihre Oberfläche war schwarz, ihr Himmel orange. Ersteres kam von davon, das das Magmameer, mit dem ein in sie hinein fahrender – und den Mond aus ihr herausschlagender – Himmelskörper sie überzogen hatte, zu Basalt abgekühlt war, Letzteres lag an einem in der Atmosphäre häufigen Gas, Methan (CH4). Ein anderes Gas hingegen fehlte völlig, der Sauerstoff (O2), deshalb konnte aus ihm auch kein Ozon gebildet werden, das die tödliche UV-Strahlung der Sonne abgefangen hätte. Deshalb war die Erde wüst und leer, Leben konnte auf ihr lange nicht entstehen. Aber in den Ozeanen kam es früh, vor 3,7 Milliarden Jahren waren erste Formen da (Nature 557, S. 535), unter ihnen Cyanobakterien, die Fotosynthese betrieben.

Trotzdem gab es zunächst auch im Wasser keinen freien Wasserstoff, weil diese Fotosynthese kein Wasser als Ausgangsstoff benutzte (sondern vermutlich Arsen (Communications Earth and Environment 1: 24)) und deshalb auch keinen Sauerstoff als Abfall anfallen ließ. Erst später stellte es darauf um, heute lebt die gesamte Tierwelt davon. Aber das Füllen erst der Meere und dann der Atmosphäre war ein mühsamer Prozess, bei dem nicht nur das Leben bzw. die Biologie mit spielte, sondern auch die Erde mit ihrer Geologie und Chemie. Begonnen hat alles vor etwa 2,4 Milliarden Jahren mit dem „great oxidation event“ (GOE), der allerdings zum einem so groß nicht war, sondern der Atmosphäre nur zwei Prozent Sauerstoff brachte – heute sind es 21 –, und zum anderen auch „great oxidation catastrophy“ heißt, weil Sauerstoff für die meisten Lebensformen Gift war.

Erster Sauerstoff brachte Vereisung der Erde

Auch die Produzenten hatten unter den Folgen ihres Produkts zu leiden: Kurz nach dem GOE der die Erde rot machte, weil er in den Ozeanen gelöstes Eisen verrosten ließ, von Fe2+ zu Fe3+ oxidierte, änderte sie wieder ihre Farbe, sie wurde weiß, überzog sich rundum mit einem Eispanzer zum „snowball earth“: Denn in der Atmosphäre oxidierte der Neuling das starke Treibhausgas CH4 zum weniger starken CO2, das brachte das Eis, unter ihm kam das sauerstoffproduzierende Leben weithin zum Erliegen. Dass es wieder aufblühen konnte, dafür sorgten Vulkane, die die Atmosphäre mit CO2 füllten.

So zeigte sich schon beim GOE, dass der Sauerstoffgehalt nicht nur von dem Leben bestimmt wird, das das Gas produziert, sondern auch von unterschiedlichsten abiotischen Mechanismen, die das Gas verzehren. Nur die können auch erklären, warum der GEO erst vor 2,4 Milliarden Jahre kam, obwohl die Bakterien schon seit hunderten Millionen Jahren Sauerstoff produzierten (Chemical Geology 362, S. 26). Zwar hatte es zuvor periodisch leichte Anstiege des Gehalts in der Luft gegeben – sogenannte „whiffs“ –, aber deren Hauch war immer wieder rasch verflogen, vor allem deshalb, weil die Erde vor dem GOE im „late heavy bombardement“ den Einschlägen vieler Himmelskörper ausgesetzt war, deren Trümmer oxidiert worden waren, eine internationale Gruppe mit Christian Köberl (Uni Wien) hat es gezeigt (Nature Geoscience 14, S. 827).

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