28. Jan. 2020
Blick auf die Erdatmosphäre von der Internationalen Raumstation aus.

Blick auf die Erdatmosphäre von der Internationalen Raumstation aus.

Die sauerstoffreiche Erdatmosphäre wird gemeinhin als Paradebeispiel für den Einfluss der Biosphäre auf die Entwicklung eines Planeten angesehen. Nur durch ein ausgeklügeltes Zusammenspiel von Biosphäre und Planet sei die Erde in drei Schritten mit Sauerstoff geflutet worden. Ein Computermodell der Planetenentwicklung, das Geowissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler im nordenglischen Leeds entwickelten, zeigt jetzt allerdings, dass die Rolle der Biosphäre möglicherweise geringer gewesen ist, als man bisher dachte.

In drei Schritten kam die ursprünglich sauerstofffreie Erde zu ihrer heutigen Atmosphäre: Mit der "Erfindung" der Photosynthese durch Einzeller vor mehr als 2,5 Milliarden Jahren wurde molekularer Sauerstoff überhaupt erst möglich. Vor 800 Millionen Jahren gab es dann den nächsten Schub und mit dem Auftritt der Landpflanzen stieg der Sauerstoffgehalt der Luft schließlich dramatisch an, erreichte im Karbon seinen bisherigen Höchststand von rund 30 Prozent und pendelt seither bei rund 21 Prozent. Das Leben machte aus der Erde einen bislang einzigartigen Planeten, so die Botschaft.

Blick auf die Erde mit Sauerstoffatmosphäre und den Mond ohne.

Blick auf die Erde mit Sauerstoffatmosphäre und den Mond ohne.

Bild: NASA (CC0)
Landpflanzen im Karbon, als der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre seinen Höhepunkt erreichte.

Landpflanzen im Karbon, als der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre seinen Höhepunkt erreichte.

Bild: Wikimedia Commons/L.M. Underwood (1874) (CC0)
Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre in den vergangenen 1 Milliarde Jahren.

Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre in den vergangenen 1 Milliarde Jahren.

Bild: Wikimedia Commons/LordToran, WolfmanSF (CC0)
Die Erdatmosphäre am 14.08.04 von der Internationalen Raumstation aus gesehen. Im Vordergrund befindet sich ein Progress-Raumtransporter im Anflug

Die Erdatmosphäre am 14.08.04 von der Internationalen Raumstation aus gesehen. Im Vordergrund befindet sich ein Progress-Raumtransporter im Anflug

Bild: NASA (CC0)
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Blick auf die Erde mit Sauerstoffatmosphäre und den Mond ohne.

Bild: NASA (CC0)

Landpflanzen im Karbon, als der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre seinen Höhepunkt erreichte.

Bild: Wikimedia Commons/L.M. Underwood (1874) (CC0)

Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre in den vergangenen 1 Milliarde Jahren.

Bild: Wikimedia Commons/LordToran, WolfmanSF (CC0)

Die Erdatmosphäre am 14.08.04 von der Internationalen Raumstation aus gesehen. Im Vordergrund befindet sich ein Progress-Raumtransporter im Anflug

Bild: NASA (CC0)

Doch vielleicht ist die Rolle der Biosphäre gar nicht so bedeutend gewesen. Modellversuche an der Universität Leeds, über die auf der Jahrestagung der Amerikanischen Geophysikalischen Union in San Francisco und zeitgleich in"Science" berichtet wurden, zeigen, dass zumindest in der Simulation nur der Evolutionssprung zur Photosynthese von Bedeutung war. "Unser Modell legt nahe, dass die Sauerstoffanreicherung der Erde bis auf ein Niveau, das komplexes Leben ermöglicht, unausweichlich war, sobald sich die Mikroben entwickelt hatten, die Sauerstoff produzieren", sagt Simon Poulton, Lehrstuhlinhaber für Geochemie und Erdgeschichte an der Universität Leeds.

Poulton und seine Mitarbeiter haben mit einem einfachen Modell die Entwicklung der Erde simuliert, in das sie aber die Stoffkreisläufe von Kohlenstoff, Sauerstoff und Phosphor integrierten. Und offenbar sind es vor allem zwei nicht-biologische Faktoren, die den photosynthesetreibenden Organismen halfen die Sauerstoffanreicherung unseres Planeten voranzutreiben: der langsam abklingende Vulkanismus und der Phosphor-Kreislauf. Auf der simulierten Erde brachte dieses Trio eine Sauerstoffanreicherung in Schritten zustande, ohne dass dazu größerer Evolutionsschritte oder aber tektonischer Ereignisse nötig waren.

Sauerstoffatmosphäre auf Exoplaneten eher möglich

"Das wirklich Faszinierende an diesen Ergebnissen ist eben, dass man keine zufälligen Ereignisse mehr braucht", betonte Joshua Krissansen-Totton auf der Pressekonferenz der AGU, der an der Universität von Kalifornien in Santa Cruz Astrobiologie erforscht. Für die Astrobiologen würden sich bei einer solchen selbststeuernden Sauerstoffanreicherung die Chancen sauerstoffreiche Exoplaneten zu entdecken vervielfachen. Denn dann wäre eine Sauerstoffatmosphäre nicht mehr das Resultat einer ganzen Kette von Einzelereignissen, sondern immer dann auf einem erdähnlichen Planeten möglich, wenn sich dort eine Biosphäre mit Photosynthesefähigkeit entwickelt hätte.

Die Mikrobiologen schätzen, dass sich die sauerstoffproduzierende Photosynthese auf unserer Erde vor mehr als 2,5 Milliarden Jahren entwickelt hat. Dass es für die "Große Sauerstoffkatastrophe", den ersten Schritt der Sauerstoffanreicherung, dann noch einmal mehr als 100 Millionen Jahre dauerte, lag an den Bedingungen auf der frühen Erde. Vulkanismus und Plattentektonik förderten große Mengen reduzierender, also sauerstoffbindender Gase in die Atmosphäre und den Ozean. So wurde der molekulare, freie Sauerstoff lange Zeit absorbiert. Allerdings verringerten sich die Emissionen in dem Maße, in dem die Erde abkühlte und die Konvektionsströme im Mantel sich verlangsamten. Irgendwann überschritt die Produktion die Pufferkapazität von Atmosphäre und Weltmeeren und molekularer Sauerstoff reicherte sich an. Diese Schere zwischen Produktion und Bindung öffnet sich seither immer weiter.

Komplexes Zusammenspiel von biogeochemischen Kreisläufen

Dass der Sauerstoffgehalt dennoch nicht ungebremst weiter stieg, liegt offenbar am Phosphor-Kreislauf. Phosphor ist der Nährstoff, der die Produktivität von Ökosystemen am stärksten reguliert. "Gibt man viel Phosphor in ein System, kommt es zur Überdüngung, und diese erzeugt Planktonblüten", so Benjamin Mill, der das Modell in Leeds maßgeblich entwickelt hat. Stirbt diese Planktonschwemme ab, sinkt sie in die tieferen Schichten des Meeres hinab und wird dort von Bakterien unter viel Sauerstoffeinsatz zersetzt. "Das führt zu Sauerstoffmangel in der Wassersäule und unter anoxischen Bedingungen springt der Phosphorzyklus an, denn dann kann Phosphor aus dem Sediment zurückgewonnen werden", so Mill. Mehr Phosphor aber führt wieder zu Planktonblüten und somit zu höherem Sauerstoffverzehr.

Diese beiden Mechanismen arbeiteten auf der sich entwickelnden Erde gegeneinander, denn ein steigender Sauerstoffgehalt behindert den Phosphorkreislauf. "Wenn man aber den Sauerstoffgehalt der Ozeane erhöht, unterbricht man die Phosphorrückgewinnung aus dem Sediment und dadurch senkt man die Sauerstoffverbrauch wieder", so Mill. Implementiert man diese komplexen Regelkreisläufe in ein Evolutionsmodell für die Erde, kommt tatsächlich eine schrittweise Sauerstoffanreicherung von Ozeanen und Atmosphäre heraus, inklusive einer Übergangszeit, in der die Ozeane zwischen sauerstoffreichen und -armen Zuständen hektisch hin- und herschwanken. "Und das sehen wir alles genauso in der geologischen Überlieferung", so Mill auf der AGU-Pressekonferenz.

Aallerdings sieht man in dieser Überlieferung auch, dass es auf der Erde gleichermaßen evolutionäre Errungenschaften wie die Landpflanzen mit ihrem schwer zersetzbaren Lignin gegeben hat wie geologische Großereignisse in Gestalt von Superkontinenten oder gigantischen Flutbasalt-Ausbrüchen. "Diese Ereignisse können vielleicht zusätzliche Schwankungen in das generelle Muster gebracht haben, denn unser Modell bildet nur die ganz langfristige Entwicklung ab", so Benjamin Mill auf der AGU-Tagung. Möglicherweise seien die Schritte in der Sauerstoffanreicherung von Erdatmosphäre und Ozeanen gar keine so deutlichen Schritte sondern eher Bündel verschiedener Prozesse. Mill: "Es scheint da viel mehr Schwankungen und viel mehr Einzelheiten in diesen gewaltigen Ereignissen zu geben, als wir das derzeit sehen."