Der Sauerstoffgehalt der Luft änderte sich in der Erdgeschichte immer wieder. Das hat die Evolution des Lebens geprägt – für das O2 anfangs ein Gift war.
Alle reden – zu Recht – über Kohlendioxid (CO2), neben Wasser das wichtigste Produkt der Verbrennung organischer Stoffe. Weniger hört man über Sauerstoff, das Gas, das, wie die alten Chemielehrer sagten, „die Verbrennung unterhält“. Ohne das wir ersticken. Und das immerhin 21 Prozent der Luft ausmacht.
Das war nicht immer so. In fast der Hälfte ihrer 4,6 Milliarden Jahre hatte die Erde keinen Sauerstoff in ihrer Atmosphäre. (Dafür meistens viel CO2, bis zu zehn Prozent.) Erst vor ca. 2,7 Milliarden Jahren begann sich Sauerstoff in der Luft zu sammeln – was für das damalige Leben eine Katastrophe war.
Erst eine Bedrohung für das Leben
Denn Sauerstoff ist auch als Molekül (O2) ein potentes Oxidationsmittel, damit zerstörerisch. Dass uns das nicht auffällt, liegt daran, dass das Leben gelernt hat, mit dem Sauerstoff zu leben: zunächst sich davor zu schützen – u.a. durch ein Heer von Enzymen, die aus O2 entstandene freie Radikale abfangen –, dann sogar Energie aus der Oxidation durch Sauerstoff (= Verbrennung) zu gewinnen. Die ersten aeroben Organismen lebten vor ca. 1,5 Milliarden Jahren.
So hat der Anstieg der O2-Konzentration das frühe Leben massiv geprägt. Aber auch im Phänerozoikum – die Ära, aus der wir makroskopische Fossilien haben, die vor ca. 550 Millionen Jahren begann – schwankte der O2-Gehalt der Luft beträchtlich, und zwar in Wechselwirkung mit der Evolution. Eine kurze Geschichte von „Oxygen and Evolution“ schrieben nun US-Geologen in Science (316, S.557). Die Daten stammen vor allem aus der Analyse von Kohlenstoff und Schwefel – die sich mit mehr oder weniger Sauerstoff verbunden haben – in Sedimenten.
Zweimal Eroberung des Festlands
Wesentliche naturgeschichtliche Ereignisse verdanken sich hohen oder steigenden O2-Konzentrationen (siehe Grafik). So die Entstehung der ersten tierischen Körperbaupläne. Oder die Eroberung des Landes durch Tiere. Diese fand zweimal statt: Vor ca. 410 Millionen Jahren stiegen hauptsächlich Gliederfüßler an Land, vor 350 Millionen Jahren kamen die ersten Wirbeltiere aus dem Wasser. Dazwischen wurde die Luft auf dem Land zu dünn für Leben, diese Pause heißt nach einem Paläontologen „Romer's Gap“. Die auf sie folgende lange Periode steigender O2-Levels im späten Devon, Karbon und Perm wurde wohl durch die Evolution großer Gefäßpflanzen an Land – bis heute Netto-Sauerstoff-Produzenten – möglich.
Mehr Sauerstoff förderte wiederum das Größenwachstum der Tiere, so löste er im Karbon und Perm den „Gigantismus“ urtümlicher Gliederfüßer, aber auch Reptilien aus. Das Wachstum der Säugetiere im Tertiär, nach dem Aussterben der Dinosaurier (vor 60 Millionen Jahren), wurde wohl ebenfalls durch mehr Sauerstoff gefördert.
Dinosaurier: Verbesserung der Lunge
Versuche zeigen, dass etwa Forellen und Alligatoren bei mehr O2 größer werden und schneller reifen. Das Optimum liegt bei 27 Prozent. Ganz simpel ist der Zusammenhang nicht: In der Ära der Parade-Giganten, der Dinosaurier, erreichten die O2-Werte einen Tiefpunkt, was Geologen auf Rückgang der Sümpfe und Wälder zurückführen. Genau die dünne Luft trieb die Evolution der Saurier an: Sie entwickelten eine leistungsfähigere Lunge, verfeinerten sie mit Luftsäcken, wie sie ihre Nachkommen, die Vögel, bis heute haben. Überhaupt bewirkte relativer Sauerstoff-Mangel oft Optimierung der Atmung, die tierische Baupläne mindestens so prägt wie die Optimierung der Fortbewegung.
Sinkende oder niedrige O2-Konzentrationen gingen oft mit Artensterben einher: an den Übergängen von Devon zu Karbon, von Perm zu Trias, Trias zu Jura. Wobei nicht klar ist, ob das Artensterben (nach der gängigen Theorie meist ausgelöst durch den Einsturz eines Meteoriten) eher zum Schwund des Sauerstoffs beitrug oder umgekehrt oder ob Artensterben und O2-Mangel dieselben Ursachen hatten, etwa massive Brände. Solche, ausgelöst durch Selbstentzündung, sind wohl auch der Grund dafür, dass der Sauerstoffgehalt nie wesentlich über 30 Prozent gestiegen ist.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 05.05.2007)