Wann kam der erste Hauch von Sauerstoff auf die Erde?

Der heutige Klimawandel hält der chemischen Kriegsführung, die vor mehr als 2 Milliarden Jahren auf der Erde geführt wurde, nicht stand.

Bevor Pflanzen die Kraft der Photosynthese entdeckten, überlebte einzelliges Leben mit Chemikalien, nicht mit Sonnenlicht, und verbrannte unter anderem Wasserstoff, Methan und Schwefel. Diese „Anaerobier“, die ohne Sauerstoff leben, wurden vergiftet, als Blaualgen namens Cyanobakterien die Photosynthese entwickelten und Sauerstoff ausatmeten. Das hochreaktive Gas verbindet sich mit Metallen und Proteinen in anaeroben Zellen und tötet sie ab. Aber Cyanobakterien gediehen, Sonnenlicht in Zucker verwandeln und Sauerstoff als Abfall ausscheiden.

Der Sauerstoffgehalt in Gesteinen steigt vor 2,5 Milliarden Jahren plötzlich an – ein Anstieg, der als „Großes Oxidationsereignis“ bezeichnet wird.“ Der Sprung wurde lange als Beweis dafür gehalten, wann Cyanobakterien die Photosynthese entwickelten. Aber eine Studie, die heute (23. März) in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht wurde, schließt sich einer wachsenden Zahl von Daten an, die darauf hindeuten, dass die frühesten Sonnenliebhaber lange vor dieser Sauerstoffspitze erschienen.

Viele Forscher glauben nun, dass die ersten photosynthetischen Organismen vor 3 Milliarden Jahren auf der Erde lebten. Und wie Kunstrestauratoren, die ein verstecktes Bild unter einem Gemälde alter Meister finden, entdecken diese Wissenschaftler ein neues Bild des ersten Atemzugs der Erde.

Schwermetalle

In der neuen Studie analysierten der Geochemiker Noah Planavsky von der Yale University und seine Kollegen Molybdän- und Eisengehalte in 2,95 Milliarden Jahre alten Gesteinen aus Südafrika. Die Felsen wurden in Wasser gelegt, in einer flachen Meeresumgebung in der Nähe der Küste. Die Metalle dienen als Marker der Photosynthese. Molybdänisotope oder Elemente mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber einer anderen Anzahl von Neutronen, verfolgen die Manganoxidation, ein Prozess, der einen hohen Sauerstoffgehalt erfordert, sagte Planavsky.

Die chemischen Spuren in den Gesteinen der Pongola-Supergruppe deuten darauf hin, dass Cyanobakterien Sauerstoff im Oberflächenwasser des Ozeans produzierten, sagte Planavsky. „Unsere Studie sagt Ihnen, dass es eine lokalisierte Cyanobakterienproduktion in den Ozeanen gab“, sagte er Live Science’s Our Amazing Planet.

In einer anderen kürzlich durchgeführten Studie, ebenfalls an Südafrikas Pongola-Gesteinen, untersuchten Wissenschaftler Chromisotope, um den Luftsauerstoffgehalt vor 3 Milliarden Jahren abzuschätzen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Luftsauerstoff etwa 100.000-mal höher war, als durch nicht-biologische chemische Reaktionen erklärt werden konnte. 26, 2013, in der Zeitschrift Nature.

„Die beiden Studien ergänzen sich sehr gut“, sagte Planavsky. „Wir liefern unabhängige Beweise für das Vorhandensein von Cyanobakterien. Wir verfolgen Oberflächenprozesse im Ozean und sie verfolgen terrestrische Prozesse.“

Woodward Fischer, Geobiologe am Caltech in Pasadena, Kalifornien., weist darauf hin, dass die Spurenmetalltechniken einer weiteren Validierung bedürfen. Beide Analysemethoden sind nur etwa ein Jahrzehnt alt und werden in extrem alten Gesteinen getestet. „Die Qualität unserer daraus abgeleiteten Interpretationen bleibt etwas unsicher“, sagte Fischer, der an keiner der beiden Studien beteiligt war. „In aller Fairness verstehen wir den Molybdän- und Chromzyklus heute nicht.“

Was kam zuerst?

Mit dem Aufkommen sensiblerer Techniken für den Blick in die Tiefe ist eine neue Debatte aufgetaucht: Haben Mikroben den ersten Atemzug unseres Planeten gepumpt oder haben Umweltveränderungen den Planeten in den Sauerstoffreichtum getrieben?

Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass der Sauerstoffgehalt in den 500 Millionen Jahren zwischen der Photosynthese der ersten Cyanobakterien und dem Großen Oxidationsereignis eine Achterbahnfahrt durchgemacht hat. Das ist eine lange Zeit für das Leben – es ist ungefähr die gleiche Zeit wie zwischen den ersten Trilobiten der Erde und den Menschen.

Einige Forscher glauben, dass die Erde selbst eine Rolle bei der Steigerung des Sauerstoffgehalts spielte, als die Kontinente größer wurden. Erosion der Kruste und die sich verändernde Natur von Vulkanen – größere Kontinente bedeuten mehr landgestützte Eruptionen, die Gas in die Atmosphäre spucken, als Unterwasserexplosionen. Diese geologischen Verschiebungen hätten die Erdatmosphäre zusammen mit den Cyanobakterien in Richtung Sauerstoff treiben können.

„Was wirklich aufregend ist, ist die relative Rolle der biologischen Evolution gegenüber der geologischen Evolution bei den wichtigsten Wendepunkten in der Erdgeschichte“, sagte Planavsky. „Das ist es, was unsere Forschung antreibt.“

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