Sauerstoff ist lebensnotwendig, aber was den ersten Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs auf der Erde verursacht hat und wann genau dies geschah, hat die Wissenschaftler in den letzten 70 Jahren herausgefordert.
Die meisten wissenschaftlichen Untersuchungen deuten darauf hin, dass der Sauerstoff vor etwa 2,4 Milliarden Jahren schnell anstieg und dann in den nächsten 200 Millionen Jahren genauso abrupt abfiel. Dieses Ereignis wird als Great Oxygenation Event (GOE) bezeichnet.
Eine neue internationale Studie, die von einem Team von Geologen der University of Tasmania in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Carnegie Institute in Washington und der University of Toronto geleitet wird, bietet eine alternative Theorie.
Die Forscher gehen davon aus, dass der Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs vor 2,8 bis 1,8 Millionen Jahren ein sehr langsamer Prozess war, der mit der Kollision von Kontinentalplatten während Superkontinentalzyklen und der Entwicklung von Cyanobakterien in unseren Ozeanen zusammenhängt.
Der atmosphärische Sauerstoff stieg über einen Zeitraum von einer Milliarde Jahren an und erreichte vor etwa 1,9 Milliarden Jahren einen Spitzenwert in der Nähe des heutigen Sauerstoffgehalts von 21 %. Sauerstoff nahm dann für einen weiteren Zeitraum ab, der als langweilige Milliarde bekannt ist.
Die Forschung zeigte, dass die Entwicklung von Mineralien in der Erdkruste mit dem Sauerstoffanstieg korreliert, da neue oxidierte Metallspezies vorhanden sind, die erst durch den Sauerstoffanstieg verfügbar wurden.
Die neue Theorie verwendet Messungen zur Redoxchemie von Mineralien, die sich im Laufe der geologischen Zeit in Gesteinen und auf dem Meeresboden bilden.
Der Geologe Professor Ross Large von der University of Tasmania sagte, die Ergebnisse basierten auf einer Fülle von Daten aus einer Reihe von Mineralien und Isotopen.
Die Teams der University of Tasmania, Toronto und des Carnegie Institute haben riesige Datenbanken zur Chemie einer breiten Palette von Mineralien aufgebaut, die Zehntausende von Analysen umfassen, die in den letzten 15 Jahren gesammelt wurden.
„Der weltweite Trend zur datengesteuerten Forschung nimmt zu, weil sich unsere Technologie schnell verändert und es ermöglicht, Tausende von Analysen zu erfassen“, erklärte Professor Large.
„Viel frühere Forschung zu diesem Thema war von begrenzten Analysen abhängig, die von Computermodellen unterstützt wurden, um die Daten auszufüllen und zu versuchen, Ergebnisse vorherzusagen. Dies hat häufig zu ‚geradlinigen‘ Interpretationen geführt, bei denen die Auf- und Ab-Zyklen der Erde ignoriert wurden geologische Zeit.“
Professor Large sagt, dass der erste Anstieg des Sauerstoffs von einem Rückgang von Kohlendioxid und Methan begleitet wurde, wodurch Ozean- und Atmosphärenbedingungen geschaffen wurden, die dem Leben zugänglicher waren.
„Die alten Ozeane des Archaikums vor 2,6 Milliarden Jahren waren mit toxischen Elementen wie Arsen und Quecksilber angereichert und für das Leben, wie wir es kennen, sehr unwirtlich“, sagte Professor Large.
„Unsere Forschung zeigt, dass sich mit zunehmendem Sauerstoffgehalt die Chemie des Ozeans veränderte, toxische Elemente abnahmen und lebenswichtige Elemente wie Phosphor, Molybdän und Zink verfügbarer wurden, um evolutionäre Veränderungen anzuregen.“
Professor Large sagte, dass diese großen Veränderungen durch die erste Entwicklung der Kontinentaldrift im Zusammenhang mit den Zyklen der Superkontinente hervorgerufen wurden, die die Ansammlung, Dauer und Fragmentierung der größten Landmassen der Erde beschreiben.
„Die Bergbildung während der Kollision von Platten in der ersten Phase jedes Superkontinentzyklus führte zur Erosion von Nährstoffen in die Ozeane, was das Leben anregte und Sauerstoff in die Atmosphäre freisetzte“, erklärte Professor Large.
„Wir gehen davon aus, dass zwei Phasen des Gebirgsaufbaus dazu beigetragen haben, den Sauerstoffanstieg, die Produktion neuer Mineralien und die Entwicklung des frühen Lebens voranzutreiben. Die erste fand vor etwa 2,8 Milliarden Jahren mit der Bildung des Superkontinents Kenorland statt, die zweite vor etwa 2,1 Milliarden Jahren , der den Superkontinent Nuna bildete.“
Der dritte Sauerstoffzyklus begann vor etwa einer Milliarde Jahren, und von da an nahm die Häufigkeit der Zyklen von etwa 200 Millionen Jahren auf 60 Millionen Jahre zu. Frühere Forschungen des Teams haben gezeigt, dass jeder Sauerstoffzyklus mit einem Massenaussterben endete, aber schnell von einer Explosion in der Evolution gefolgt wurde.
Entgegen einiger Vermutungen glaubt Professor Large nicht, dass wir auf ein weiteres Massensterben zusteuern. Er sagte, dass vergangene Massensterben dazu führten, dass Kohlendioxid auf mehr als 4000 Teile pro Million (ppm) anstieg, verglichen mit etwa 300 ppm heute, und Sauerstoff deutlich unter 10 % und möglicherweise bis auf 5 % fiel, verglichen mit 21 % heute.
Er schlägt vor, dass basierend auf den Erdzyklen das nächste Massensterben etwa 30 Millionen Jahre entfernt ist.
Ross R. Large et al., Nachweis, dass die GOE ein verlängertes Ereignis mit einem Höhepunkt um 1900 Ma war, Geosysteme und Geoumwelt (2022). DOI: 10.1016/j.geogeo.2022.100036