Erdgeschichte: Sauerstoff-Rätsel gelöst?

Bremser im Erdsystem: Seit langem rätseln Forscher, warum die Erdatmosphäre erst mit Verzögerung sauerstoffreich wurde. Jetzt könnten sie einen „Schuldigen“ gefunden haben: die urzeitliche Erdkruste. Denn diese wurde vor rund drei Milliarden Jahren noch von einem Mineral dominiert, das sauerstoffzehrende Reaktionen förderte. Erst als sich dies änderte, konnte der von den Algen produzierte Sauerstoff in die Atmosphäre gelangen, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Geoscience“ berichten.

Die frühe Erde war noch nicht sonderlich lebensfreundlich: Bis vor rund 2,4 Milliarden Jahren enthielt die Atmosphäre noch so gut wie keinen Sauerstoff. Tierische Organismen konnte unter diesen Bedingungen nicht existieren – wohl aber die ersten Cyanobakterien. Diese einzelligen Meeresalgen könnte schon vor mehr als drei Milliarden Jahren Fotosynthese betrieben und so Sauerstoff erzeugt haben.

Was bremste den Sauerstoff?

Seltsamerweise aber wirkte sich diese Sauerstoff-Zufuhr erst mit Verzögerung auf die Erdatmosphäre aus: Erst vor rund 2,4 Milliarden Jahren stieg der Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre deutlich an und ermöglichte so die weitere Entwicklung des Lebens. Doch was hat diesen Umschwung so lange ausgebremst? Bereits vor einiger Zeit spekulierten Forscher, dass aus Vulkanen freigesetztes Eisen der „Bremser“ gewesen sein könnte.

Doch Matthijs Smit von University of British Columbia und sein Team haben nun Indizien für einen andern „Schuldigen“ entdeckt: die Erdkruste selbst. Für ihre Studie hatten sie die Zusammensetzung von mehr als 48.000 Gesteinsproben verglichen, die sowohl aus der Ära vor und nach dem Great Oxidation Event stammen.

Erdkruste „schluckte“ Atemgas

Dabei zeigte sich: „Zur gleichen Zeit, als sich freier Sauerstoff in den Ozeanen anzureichern begann, veränderte sich auch die Zusammensetzung der Erdkruste“, berichtet Smit. Vorher bestand die freiliegende Kruste vor allem aus vulkanischem Gestein, das einen hohen Anteil magnesium-und eisenreicher Minerale wie Olivin enthielt.

Olivin (gelb) reagiert mit Meerwasser zu Serpentinit (grau) und löst dabei sauerstoffbindende Reaktionen aus. © Strekeisen/ CC-by-sa 4.0

Doch diese sogenannten mafischen Minerale haben eine Nebenwirkung: Kommen sie mit Wasser in Kontakt, können sie chemische Reaktionen auslösen, die Sauerstoff binden und es damit aus dem Wasser entfernen. Solange diese Krustengesteine am Meeresgrund dominierten, wurde daher ein großer Teil des von den Cyanobakterien erzeugten Sauerstoffs direkt wieder aufgezehrt – und gelangte deswegen gar nicht erst in die Atmosphäre.

„Die Entwicklung des Sauerstoffs war demnach nicht dadurch begrenzt, dass Cyanobakterien zu wenig Sauerstoff produzierten, sondern vielmehr durch die dominierende mafische Zusammensetzung der archaischen Landmassen“, erklären Smit und seine Kollegen.

Krustenwandel vor 2,4 Milliarden Jahren

Erst vor rund 2,4 Milliarden Jahren änderte sich dies: Die Gesteinsproben belegen, dass sich damals die Krustenzusammensetzung grundlegend änderte. Die olivinreichen Gesteine verschwanden nach und nach, an ihre Stelle traten siliziumreichere Gesteine vulkanischen Ursprungs, wie die Forscher berichten. Ursache dieser Veränderung könnte der Beginn der Plattentektonik gewesen sein oder eine Temperaturveränderung im Erdmantel, so ihre Vermutung.

Dieser Krustenwandel machte den Weg frei für den Sauerstoff: Jetzt wurde das von den Cyanobakterien produzierte Atemgas nicht mehr durch chemische Reaktionen gebunden und konnte sich in der Atmosphäre anreichern. „Die Oxygenierung wartete nur darauf, dass die Kontinente heranreiften“, sagt Smit. „Erst nach diesem Wandel wurde die Erde viel lebensfreundlicher und ermöglichte die Evolution komplexeren Lebens.“ (Nature Geoscience,2017; doi: 10.1038/ngeo3030)

(University of British Columbia, 20.09.2017 – NPO)