Überraschend früh sauerstoffreich

Gefaltete 3,8 Milliarden Jahre alte Bändereisenerze in der Isua Region, West-Grönland. Credit: Prof. Bau / Jacobs University

Mit jedem Atemzug holen wir uns ein Lebenselixier aus der Luft: Sauerstoff. Doch ab wann gab es denn in der Erdatmosphäre genügend dieses Gases, um die Entwicklung höherer Lebensformen zu ermöglichen? Dies könnte deutlich früher der Fall gewesen sein als bislang angenommen: Eine Analyse von Gesteinen aus Grönland legt nahe, dass es schon vor fast vier Milliarden Jahren entsprechende Sauerstoffmengen in der Atmosphäre gegeben hat.

Die aktuellen Ergebnisse sind makaberer Weise im Kielwasser des Klimawandels entstanden: Den Einblick in die Frühgeschichte der Erde haben abschmelzende Gletscher im Westen Grönlands ermöglicht. Das Eis hat dort Gesteine freigegeben, die mehr als 3,8 Milliarden Jahre alt sind. Dabei handelt es sich um sogenannten Bändereisenerze - sehr eisenreiche Sedimente, die sich damals am Meeresboden abgelagert haben. "Für uns Geochemiker sind sie wunderbare Archive, in denen Informationen über die chemische Zusammensetzung des Meerwassers und der Atmosphäre gespeichert sind", erklärt Michael Bau von Jacobs University in Bremen. Er und seine Kollegen aus Dänemark, Kanada und den USA haben diese Gesteine nun modernen Analyseverfahren unterzogen.

Elementare Indikatoren für Sauerstoff

Um Informationen über den Sauerstoffgehalt vor 3,8 Milliarden Jahren zu bekommen, bestimmten die Wissenschaftler vor allem die Konzentrationen und die Isotopenzusammensetzungen der Elemente Chrom, Uran und Thorium in den grönländischen Gesteinen. Bei Chrom und Uran handelt es sich gleichsam um Indikatoren für das Vorhandensein von Sauerstoff: Unter seinem Einfluss oxidieren sie, werden wasserlöslich und gelangen dadurch ins Meer. In diesem Zusammenhang liefert auch das Thorium Hinweise auf Sauerstoff: Unter Oxidationsbedingungen sammelt sich im Meerwasser ein erhöhtes Verhältnis von Uran gegenüber Thorium an, erklären die Forscher. Außerdem ändert sich ihnen zufolge auch die Isotopenzusammensetzung von Chrom im Meerwasser, denn im Vergleich zum Chrom-Isotop Chrom-52 gelangt mehr Chrom-53 ins Meer als ohne Oxidation.

"Wir haben in den Proben nicht nur eine Anreicherung von Uran relativ zu Thorium festgestellt, sondern zusätzlich auch noch ein hohes Verhältnis von Chrom-53 zu Chrom-52", berichtet Bau. "Beides deutet darauf hin, dass Uran und Chrom schon vor 3,8 Milliarden Jahren bei der Verwitterung von Landmassen an der Erdoberfläche oxidiert werden konnten", erklärt der Geochemiker. Ähnliche Beobachtungen an jüngeren Gesteinen wurden ihm zufolge bisher immer mit relativ hohen Sauerstoffgehalten in der Atmosphäre erklärt. Bisher sind zwei Phasen eines starken Sauerstoffanstiegs bekannt: Das sogenannte "Neoproterozoic Oxidation Event" vor ungefähr 550 bis 750 Millionen Jahren und das "Great Oxidation Event" vor etwa 2,45 Milliarden Jahren. Es gab jedoch bereits Hinweise über einen deutlich früheren Beginn der Anreicherung mit dem "Lebens-Gas". Die aktuellen Ergebnisse scheinen die Skala nun noch einmal um etwa 0,7 bis 0,8 Milliarden Jahre zu erweitern.

Große Bedeutung für Annahmen zur Evolutionsgeschichte

Eine mögliche Erklärung für die Befunde wäre, dass bereits vor 3,8 Milliarden Jahren die ersten primitiven Lebensformen begannen, durch Photosynthese die Erdatmosphäre mit Sauerstoff anzureichern. Dies hätte wiederum anderen Lebensformen Entwicklungspotenzial geboten. "Es wird allgemein angenommen, dass die frühe Erdatmosphäre völlig frei von Sauerstoff war, aber unsere Studie legt nun nahe, dass die Oberfläche der Erde schon früh Sauerstoff ausgesetzt gewesen sein könnte. Dies hat große Bedeutung für die Annahmen zur Entwicklung des Lebens auf unserem Planeten", sagt Co-Autor Robert Frei von der Universität Kopenhagen.

Die Forscher bleiben allerdings bislang vorsichtig: "Unsere neuen Ergebnisse an den sehr alten Bändereisenerzen aus Grönland sind so überraschend, dass weitere Untersuchungen endgültig Klarheit darüber bringen müssen, ob vor vier Milliarden Jahren tatsächlich bereits relativ große Mengen Sauerstoff an der Oberfläche der Erde vorhanden waren – oder ob Chrom und Uran eventuell doch auch durch andere Prozesse oxidiert worden sein könnten", räumt Bau ein. Weitere Nachforschungen sind also angesagt.

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