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Wechselhafter Übergang

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 17.11.2009 17:33

Vor 2,4 Milliarden Jahren wandelte sich die Erdatmosphäre nach derzeit gültiger Ansicht der Geophysiker schlagartig von sauerstoffarm und reduzierend zu sauerstoffreich und oxidierend. Seitdem hat das Leben eine ungeheure Blüte erlebt. Über die Umstände dieses einschneidenden Ereignisses herrscht noch große Unsicherheit, nicht zuletzt weil die Informationen aus dieser Zeit eher spärlich sind. US-Wissenschaftler haben jetzt in australischem Gestein Hinweise gefunden, dass die Verhältnisse an der Wende vom Archaikum zum Proterozoikum weniger uniform und stabil waren, als bislang gedacht. In "Science" berichten sie über ihre Erkenntnisse.

PilbaraDie Erde ist ein sauerstoffreicher Planet, und das macht sie, soweit wir bislang sehen können, einzigartig im Weltall. Heutzutage bestehen rund 21 Prozent ihrer Atmosphäre aus dem Gas, auf dem der größte Teil des hiesigen Lebens aufbaut. Doch diesen Sauerstoffüberfluss gab es nicht immer, gut die Hälfte seiner bisherigen Existenz hat unser Planet weitgehend ohne freien Sauerstoff verbracht.


Erst für die Zeit vor rund 2,4 Milliarden Jahren zeigt die geologische Überlieferung einen dramatischen Anstieg des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre an, der zwar noch lange nicht die heutigen oder gar die Rekordwerte von 30 Prozent aus dem Karbon erreichte, aber dennoch die Entwicklung unwiderruflich in Richtung sauerstoffreiche Atmosphäre trieb. Verursacht wurde dieser Anstieg durch Unmengen photosynthesetreibender Cyanobakterien, die die Weltmeere bevölkerten. Die Einzeller sind damit für eine der folgenreichsten Veränderungen verantwortlich, die die Erde je erlebte.

Tim Lyons im GeländeMan geht davon aus, dass die Cyanobakterien die Photosynthese schon lange vor dem Sauerstoffanstieg in der Atmosphäre beherrschten, manche Forscher gehen bis in Zeiten vor 3,5 Milliarden Jahre zurück. Daher ist im Einzelnen ziemlich unklar, wie ausgerechnet vor 2,4 Milliarden Jahren dieser drastische Wechsel von einer nahezu sauerstofffreien reduzierenden Umgebung zu einem sauerstoffreichen oxidierenden Milieu vonstatten ging. Einen Schalter, der von einem auf den anderen Zustand umschaltete, hat es wohl nicht gegeben. Möglicherweise aber liegt es an der mangelhaften Überlieferung. Geologen der Universität von Kalifornien in Riverside haben jetzt in archaischen Formationen des Hamersley-Beckens in West-Australien Hinweise dafür gefunden, dass schon rund 100 Millionen Jahre vor dem steilen Anstieg Sauerstoff in der Atmosphäre gewesen sein muss.

Hamersley im Norden des australischen Bundesstaates zählt zu den wirtschaftlich bedeutendsten Eisenerz-Vorkommen der Welt. Vor mehr als 2,4 Milliarden Jahren befand sich hier ein relativ flaches Ozeanbecken, in dem das Eisenerz in großen Mengen ausgefällt wurde und zu Boden sank. Diese Bändereisenerze sind heute viele Hundert Meter dick und zeugen von einem Ozean, der noch keinen freien Sauerstoff, dafür aber viel gelöstes Eisen kannte. Doch zwischen den begehrten Erzen gibt es Schichten, die eine andere Geschichte erzählen. Die Forscher aus Riverside um den Geochemiker Tim Lyons haben die sogenannten Mount-McRae-Schichten näher untersucht. "Wir fanden Anzeichen für sulfidreiches Wasser", berichtet Chris Reinhard, der Hauptautor der "Science"-Studie, "nach herkömmlicher Ansicht ist das aber ein Anzeichen für atmosphärischen Sauerstoff." Die fraglichen Schichten datierten rund 100 Millionen Jahre vor dem bekannten Sauerstoffanstieg in der Atmosphäre und wechseln sich überdies mit Bändereisenerzen ab.

Westaustralische HügelSulfide entstehen im Wasser, wenn Bakterien höheroxidierten Schwefelverbindungen die Sauerstoffatome entziehen. Ausgangsmaterial für diesen Stoffwechsel ist Sulfat, das bei der Verwitterung von Sulfid-Verbindungen im Gestein, zum Beispiel Pyrit, entsteht. Diese Reaktion funktioniert aber nur dann, wenn freier Sauerstoff zugegen ist. "Die Mount-McRae-Schichten legen nahe, dass dieser oxidative Schwefelkreislauf schon vor dem allgemeinen Sauerstoffanstieg in der Atmosphäre ablief", schreiben Reinhard, Lyons und ihre Kollegen in "Science". Allerdings haben offenbar schon geringe Mengen freien Sauerstoffs genügt, um den Kreislauf anzustoßen, auch glauben die Forscher nicht, dass diese Phänomene im späten Archaikum weltweit verbreitet oder stabil waren.


Stattdessen nehmen sie eine Art Übergangsperiode zwischen den archaischen sauerstoffarmen und den proterozoischen Ozeanen an, in der sich die Wasserchemie in den Ozeanbecken lokal oder regional immer wieder umstellte, zwischen beiden Zuständen  sogar schwanken konnte. Die Forscher spekulieren sogar darüber, dass der Ozean im Hamersley-Becken so stark geschichtet gewesen sein könnte, dass sich sulfidreiche Wasserschichten mit archaischen eisenreichen Partien abwechselten. Hydrothermale Quellen am Meeresboden sorgten dafür, dass in den tieferen Wasserschichten reduzierende Bedingungen herrschten, so dass weiterhin die Bändereisenerze ausfällen konnten.

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