1 · Die Erde vor uns Wissenschaft und Technik

Große Sauerstoffkatastrophe

vor etwa 2,4 Milliarden Jahren Atmosphäre und Ozeane der Erde

Kurz gesagt

Sehr lange Zeit reagierte der Sauerstoff, den die Mikroorganismen erzeugten, mit dem im Ozean gelösten Eisen und bildete rötlich gestreifte Gesteine. Als das Eisen nicht mehr alles aufnehmen konnte, begann sich der Sauerstoff in der Luft anzusammeln. Für viele Mikroben, die ohne Sauerstoff lebten, war er ein Gift, andere lernten, ihn zum Atmen zu nutzen.

Warum das wichtig ist Das war eine chemische Wende, die den Weg zu Lebewesen öffnete, die Sauerstoff atmen können.

Quelle: Nature Communications, 2021, „The Great Oxygenation Event as a consequence of ecological dynamics modulated by planetary change“

Auf dem Zeitstrahl ansehen Quiz der Epoche Das ganze Lernblatt lesen Arbeitsblatt zum Ausdrucken

Bild: Große Sauerstoffkatastrophe (Atmosphäre und Ozeane der Erde) — Bild, mit KI für Storiascopio erstellt

Lernblatt etwa 5 Minuten Lesezeit

Die Geschichte

Ein Gift, das zur Luft wurde

Heute ist etwa ein Fünftel der Luft, die wir atmen, Sauerstoff. Uns kommt das normal vor, aber fast die Hälfte der Erdgeschichte lang enthielt die Luft praktisch keinen. Die Lebewesen jener Zeit waren Mikroben, die ohne Sauerstoff lebten, und für viele von ihnen war Sauerstoff ein Gift, weil er mit den Molekülen der Zellen reagiert und sie schädigt. Als er sich in der Atmosphäre anzusammeln begann, war das für einen Teil von ihnen deshalb eine Katastrophe. Einige Forschende nennen dieses Ereignis die „Sauerstoffkatastrophe“; der gebräuchlichere Name ist Große Oxidation.

Die Wissenschaftler legen sie auf etwa 2,4 Milliarden Jahre vor heute, in einen Zeitraum von einigen hundert Millionen Jahren. Es war kein einzelner Augenblick, sondern eine langsame und unregelmäßige Veränderung. Einige Spuren deuten darauf hin, dass sich kleine Mengen Sauerstoff schon früher in Wellen gebildet hatten und dann wieder verschwunden waren.

Der Sauerstoff sammelte sich nicht sofort an

Die Cyanobakterien erzeugten schon seit hunderten Millionen Jahren Sauerstoff, aber die Luft blieb ohne. Wo blieb er? Sauerstoff ist ein sehr reaktionsfreudiges Gas: Wenn es etwas gibt, mit dem er sich verbinden kann, tut er es. In den frühen Meeren gab es sehr viel gelöstes Eisen, das von Vulkanen und heißen Quellen am Grund kam. Sobald Sauerstoff erzeugt wurde, verband er sich mit dem Eisen, das zu Rost wurde und in Form rötlicher Minerale auf den Meeresgrund sank.

Schicht für Schicht entstanden so über hunderte Millionen Jahre riesige Ablagerungen, die wir heute gebänderte Eisenformationen nennen: Gesteine mit abwechselnd dunkelroten und grauen Streifen, von denen es große Lagerstätten in Australien, Brasilien, Kanada und Nordamerika gibt. Sie gehören zu den wichtigsten Bergwerken der Welt und liefern einen großen Teil des Eisens, aus dem Stahl, Autos und Brücken gemacht werden. Als das gelöste Eisen aufgebraucht war und auch die anderen Gase und Minerale, die Sauerstoff aufnahmen, gesättigt waren, blieb der von den Mikroben erzeugte Sauerstoff frei im Meer und stieg dann in die Luft auf.

Die Beweise in den Gesteinen

Woher weiß man, dass sich die Luft veränderte? Die Gesteine erzählen es. Vor 2,4 Milliarden Jahren findet man Minerale wie Pyrit und Uraninit, die sich in den Sanden der Flüsse nur ohne Sauerstoff erhalten, weil sie sich sonst im Kontakt mit der Luft aufbrauchen würden. Nach dieser Zeit findet man sie nicht mehr. Dafür erscheinen die „Rotsedimente“, rote Gesteine auf dem Festland, gefärbt vom Rost, der entsteht, wenn Eisen der Luft ausgesetzt ist. Außerdem ändern sich die Schwefelspuren in den Gesteinen, mit einer besonderen Signatur, die verschwindet, wenn sich die Atmosphäre mit Sauerstoff anreichert.

Eine Welt, die abkühlt

Die Große Oxidation hatte eine unerwartete Wirkung auf das Klima. Früher enthielt die Luft etwas Methan, ein sehr wirksames Treibhausgas, das half, den Planeten warm zu halten, solange die Sonne noch schwach war. Sauerstoff zerstört Methan. Mit weniger Methan kühlte sich die Erde nach Ansicht vieler Forschender ab, und gleich danach, zwischen etwa 2,4 und 2,1 Milliarden Jahren vor heute, gab es die „Huronischen“ Eiszeiten, benannt nach einer Region in Kanada. Einige Forschende denken, dass das Eis einen großen Teil des Planeten bedeckte, aber die Debatte ist offen.

Inzwischen passte sich das Leben an. Viele Mikroben, die Sauerstoff nicht vertrugen, zogen sich an die Orte zurück, wo er noch nicht hinkam: den Meeresgrund, den Schlamm, die heißen Quellen, den Darm der Tiere, die viel später erschienen. Andere Mikroben lernten dagegen, ihn zu nutzen. Mit Sauerstoff zu atmen erlaubt es, viel mehr Energie aus der Nahrung zu gewinnen als mit anderen Methoden, und das öffnete den Weg zu größeren, aktiveren und komplizierteren Organismen.

Wie viel Sauerstoff es damals gab, ist nicht klar. Die Forschenden denken, dass es noch ein sehr kleiner Bruchteil dessen war, was es heute gibt, und dass der heutige Wert in späteren Phasen, hunderte Millionen Jahre danach, erreicht wurde. Das nimmt der Großen Oxidation nichts von ihrer Bedeutung: Sie war die erste große, von Lebewesen verursachte Veränderung der Luft.

Warum es geschah

Die Hauptursache war die Fotosynthese der Cyanobakterien, die immer größere Mengen Sauerstoff erzeugte. Lange Zeit wurde der Sauerstoff aber von anderen Vorgängen verbraucht: der Reaktion mit dem im Meer gelösten Eisen, mit den Gasen der Vulkane und mit den frisch gebildeten Gesteinen.

Der Wendepunkt, sagen die Forschenden, wurde erreicht, als die erzeugte Sauerstoffmenge das überstieg, was diese „Verbraucher“ aufnehmen konnten. Warum das gerade in dieser Zeit geschah, ist noch umstritten. Einige Hypothesen sprechen von Veränderungen bei den Vulkanen, die weniger sauerstoffverzehrende Gase ausstießen; andere von einem Wachstum der Cyanobakterien oder von einer größeren Menge begrabenen organischen Materials, das nicht oxidiert und Sauerstoff frei lässt.

Wahrscheinlich war es eine Kombination von Faktoren, bei der das Leben und die Geologie des Planeten zusammenwirkten. Deshalb sprechen die Wissenschaftler von „noch umstrittenen“ Ursachen.

Was sich veränderte

Die sauerstoffreiche Atmosphäre machte es sehr viel später möglich, dass sich die Ozonschicht bildete. Ozon ist eine Form von Sauerstoff, die die gefährlichen ultravioletten Strahlen der Sonne aufnimmt. Als die Schicht dick genug war, konnte das Leben das Wasser verlassen und auf dem Festland leben, ohne geschädigt zu werden. Eine Luft mit Sauerstoff ist auch der Grund, warum es heute Feuer, Rost und Atmung gibt.

Mit Sauerstoff zu atmen gibt viel mehr Energie als die Methoden, die ohne ihn auskommen. Diese zusätzliche Energie war einer der Gründe, die die Entwicklung komplexer Zellen und, sehr viel später, der Tiere erlaubten, die enorm viel Energie brauchen, um sich zu bewegen, zu wachsen und zu denken.

Für die Menschheit hat die Große Oxidation ein Geschenk hinterlassen: die gebänderten Eisenformationen. Fast das ganze Eisen, das wir für Stahl benutzen, stammt aus diesen Gesteinen. Außerdem erinnert sie uns daran, dass Lebewesen einen ganzen Planeten verändern können. Heute sind wir es, die die Luft mit dem Kohlendioxid verändern, das wir ausstoßen, in viel kürzerer Zeit, und zu verstehen, wie das Leben die Erde in der Vergangenheit verändert hat, hilft zu verstehen, was jetzt geschehen kann.

Wichtige Menschen und Orte

Menschen

Preston Cloud: Amerikanischer Geologe (1912-1991). Er war einer der Ersten, die behaupteten, der Sauerstoff der Luft sei vom Leben erzeugt worden, und der ihn mit den Eisenformationen verband.
Heinrich Holland: Amerikanischer Geochemiker (1927-2012). In seinem Buch von 1984 beschrieb er die Geschichte des Sauerstoffs in der Luft und in den Ozeanen.
Ariel Anbar: Amerikanischer Geochemiker. Mit einer Gruppe von Kollegen fand er 2007 Spuren kleiner Sauerstoffmengen vor der Großen Oxidation (Ergebnis später umstritten).

Orte

Pilbara und Hamersley, Westaustralien: Eine der größten Regionen mit gebänderten Eisenformationen: Von hier kommt ein großer Teil des Eisens der Welt.
Oberer See, Nordamerika: Um den See gibt es große Lagerstätten gebänderten Eisens, die mehr als ein Jahrhundert lang die Stahlwerke der Vereinigten Staaten versorgten.
Huronsee, Kanada: Die Region gibt den Huronischen Eiszeiten den Namen, die gleich nach der Großen Oxidation stattfanden.

Gut zu wissen

Die heutige Luft enthält 21 Prozent Sauerstoff: Wenn sie viel mehr hätte, zum Beispiel 30 Prozent, wären Brände viel heftiger und schwer zu löschen.
Für die Mikroben ohne Sauerstoff war die Große Oxidation wie eine weltweite Umweltkrise: Einige Forschende haben sie den ersten Fall von „Umweltverschmutzung“ der Geschichte genannt, verursacht von Lebewesen.
Die Gesteine mit roten und grauen Bändern sind so schön, dass sie in manchen Gegenden Australiens geschnitten und wie Zierstein poliert werden.
Unser Blut ist rot wegen des Eisens im Hämoglobin, dem Molekül, das den Sauerstoff transportiert: Eisen und Sauerstoff sind ein sehr altes Paar.
Jedes Cyanobakterium erzeugt sehr wenig Sauerstoff, aber Milliarden Milliarden Mikroben reichten über Millionen Jahre, um die Luft des ganzen Planeten zu verändern.