27. Aug. 2019
Die Belcher Inseln, Nunavut, in der kanadischen Hudson Bay.

Die Belcher Inseln, Nunavut, in der kanadischen Hudson Bay.

Der Weg der Erde zu einer Sauerstoffwelt war holprig. Wenn man den Ergebnissen einer Arbeitsgruppe aus den USA und Israel glauben darf, markiert einer der größten Stolpersteine auf diesem Weg eine biologischen Katastrophe, die die größten Massenaussterben des vielzelligen Lebens in den Schatten stellt. In den Abhandlungen der US-Akademie der Wissenschaften stellen die Forscher ihre Befunde vor.

Vor gut zwei Milliarden Jahren beendete ein drastischer Einbruch die sogenannte Große Sauerstoffkatastrophe, in der sich die atmosphärischen Sauerstoffgehalte so stark erhöht hatten, dass sie den heutigen Wert von rund 20 Prozent möglicherweise sogar übertrafen. In der Entwicklung des Lebens stellt die Große Sauerstoffkatastrophe den zentralen Wendepunkt von einer Biosphäre dar, für die Sauerstoff Gift war, zur heutigen sauerstoffdominierten Lebenswelt.

Cyanobakterienblüte südlich der Fidschi-Inseln, aufgenommen am 18.10.10 durch einen NASA-Erdbeobachtungssatelliten.

Cyanobakterienblüte südlich der Fidschi-Inseln, aufgenommen am 18.10.10 durch einen NASA-Erdbeobachtungssatelliten.

Bild: NASA (public domain) (CC0)
Blick auf  die rund zwei Milliarden Jahre alten nahezu kahlen Gesteine der kanadischen Belcher Inseln, Nunavut.

Blick auf die rund zwei Milliarden Jahre alten nahezu kahlen Gesteine der kanadischen Belcher Inseln, Nunavut.

Bild: Wikimedia Commons/Mark Beauregard (CC BY 2.0)
Cyanobakterien der Gattung Cylindrospermum sp. unter dem Vergrößerungsglas.

Cyanobakterien der Gattung Cylindrospermum sp. unter dem Vergrößerungsglas.

Bild: Wikimedia Commons/Willem van Aken, CSIRO (CC BY-SA 3.0)
Rund zwei Milliarden Jahre alte Gesteinsschichten auf den kanadischen Belcher-Inseln, Nunavut.

Rund zwei Milliarden Jahre alte Gesteinsschichten auf den kanadischen Belcher-Inseln, Nunavut.

Bild: Wikimedia Commons/Mark Beauregard (CC BY 2.0)
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Cyanobakterienblüte südlich der Fidschi-Inseln, aufgenommen am 18.10.10 durch einen NASA-Erdbeobachtungssatelliten.

Bild: NASA (public domain) (CC BY 2.0)

Blick auf die rund zwei Milliarden Jahre alten nahezu kahlen Gesteine der kanadischen Belcher Inseln, Nunavut.

Bild: Wikimedia Commons/Mark Beauregard (CC BY 2.0)

Cyanobakterien der Gattung Cylindrospermum sp. unter dem Vergrößerungsglas.

Bild: Wikimedia Commons/Willem van Aken, CSIRO (CC BY 2.0)

Rund zwei Milliarden Jahre alte Gesteinsschichten auf den kanadischen Belcher-Inseln, Nunavut.

Bild: Wikimedia Commons/Mark Beauregard (CC BY 2.0)

Am Ende dieser Großen Sauerstoffkatastrophe brach allerdings innerhalb von weniger als 100 Millionen Jahren der Sauerstoffgehalt von Atmosphäre und Ozean auf 0,1 bis ein Prozent des jetzigen Gehalts ein und blieb die folgenden eine Milliarde Jahre auf diesem niedrigen Niveau. In diesem "Boring Billion" getauften Zeitalter machte das Leben keine spürbaren Fortschritte, erst an seinem Ende traten die vielzelligen Wesen der Ediacara-Fauna auf, die schließlich von der kambrischen Artenexplosion überrollt wurden.

Primärproduktion bracht ein

Der Kollaps der Sauerstoffatmosphäre vor gut zwei Milliarden Jahren ging nach den Befunden von Malcolm Hodgskiss von der kalifornischen Universität Stanford und Peter Crockford vom israelischen Weizmann-Institut und ihren Kollegen mit einem dramatischen Einbruch der biologischen Produktivität einher. Die Produktion von Biomasse fiel demnach innerhalb der geologisch gesehen kurzen Frist von knapp 100 Millionen Jahre auf ein Zehntel. Das Maximalszenario, das Hodgskiss und seine Kollegen betrachteten, sah sogar einen Einbruch auf 0,5 Prozent des Vorkrisen-Wertes vor. "Die Verringerung der Bioprimärproduktion stellt sogar die größten Massenaussterben der Erdgeschichte in den Schatten", schreiben die Forscher in ihrem Aufsatz.

Die Arbeitsgruppe hat für ihre Studie Gesteine der Kasegalik-Formation von den Belcher Inseln in der kanadischen Hudson Bay untersucht. Diese umfassen den kritischen Zeitraum vom Ende der Großen Sauerstoffkatastrophe über die sogenannte Lomagundi-Exkursion bis zu den ersten Phasen mit geringem Sauerstoffgehalt am Ende des Paläoproterozoikums. Da aus den frühen Phasen der Erdgeschichte kaum Fossilien erhalten sind, stützen sich Hodgskiss und seine Kollegen auf die Sauerstoffisotopen in Bariumsulfatkristallen und rekonstruieren aus ihnen die damaligen Verhältnisse. Dabei machen sie sich zunutze, dass Lebewesen grundsätzlich die leichtere Version von Elementen bevorzugen, so dass sie das Verhältnis zwischen leichterem Sauerstoff-13 und schwererem Sauerstoff-17 spürbar beeinflussen.

Die Arbeitsgruppe verglich die Werte der kanadischen Gesteine mit leicht älteren aus Karelien, die eindeutig den hohen Sauerstoffgehalt der Großen Sauerstoffkatastrophe widerspiegeln, und kam zu dem Ergebnis, dass der Absturz von der karelischen Hochsauerstoff- in die kanadische Niedrigsauerstoffphase innerhalb von 39 bis maximal 90 Millionen Jahren erfolgt sein muss. Um den Absturz zu erklären, ließen sie eine große Zahl verschiedener Entwicklungsszenarien für die geochemischen Kreisläufe der damaligen Erde rechnen. Alle Simulationen zeigten einen dramatischen Einbruch in der Primärproduktivität am Ende der Großen Sauerstoffkatastrophe, je nach Szenario auf ein Zehntel oder sogar ein Zweihundertstel.

Düngermangel als Ursache?

Die Ursache dieses Zusammenbruchs lässt sich nur schwer bestimmen. Hodgskiss und seine Kollegen vermuten, dass ein gravierender Mangel an Nährstoffen die Biosphäre zusammenbrechen ließ. Vor allem Phosphor wäre demnach knapp geworden, ohne den die Cyanobakterien, die mit der Großen Sauerstoffkatastrophe die bestimmende Lebensform der Biosphäre geworden waren, verhungerten. Die Ursache des Phosphormangels können vielfältig gewesen sein. Entweder waren die phosphorhaltigen Gesteine erschöpft, die im Zuge der Verwitterung für einen stetigen Nährstoffstrom in die Ozeane sorgten.

Alternativ könnte auch die biologische Phosphorpumpe ins Stottern geraten sein, denn sie beruhte auf der Arbeit sauerstofffeindlicher Einzellergemeinschaften. Diese Organismen aber waren durch die Große Sauerstoffkatastrophe in eine existenzbedrohende Krise geraten. Ihr Ausfall schlug schließlich mit einiger Verzögerung auch auf die Profiteure der neuen Sauerstoffatmosphäre durch. So gesehen wären die anschließenden "Boring Billions" eine Phase gewesen, in der sich sozusagen "unterhalb des Radars" die biogeochemischen Kreisläufe rearrangierten, um die Biosphäre auf eine neue stabile Grundlage zu stellen.