Konnte Sauerstoff in der Frühgeschichte der Erde nur dank Methan entstehen?

Die Forschungsarbeiten wurden über das OXYGEN-Projekt, das an der University of St Andrews im Vereinigten Königreich koordiniert wurde, von der EU teilfinanziert. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Erdatmosphäre über etwa eine Million Jahre hinweg von einem methanhaltigen Dunst erfüllt war. Dieser Dunst verdrängte viel Wasserstoff aus der Atmosphäre, sodass diese überhaupt erst wesentliche Mengen Sauerstoff aufnehmen konnte und sich zu einer Umgebung entwickelte, die mit der Atmosphäre vergleichbar ist, die heute unser Leben ermöglicht. Vor diesem durch Methan verursachten Wandel war die Erde ein unwirtlicher Ort, dessen toxische Atmosphäre zu stark schwankenden Oberflächentemperaturen führte.

Die Forschungen, an denen auch die University of Maryland, das Jet Propulsion Laboratory der NASA, die University of Leeds und das Blue Marble Space Institute of Science beteiligt waren, wurden in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht. In ihrer Studie kommen die Forscher zu dem Schluss, dass die Große Sauerstoffkatastrophe, während der sich die Sauerstoffkonzentration in der Erdatmosphäre vor 2,4 Milliarden Jahren um mehr als das Zehntausendfache erhöhte, eine weitere Ursache gehabt haben könnte.

„Das giftige Gemisch, aus dem die Atmosphäre unseres Planeten bestand, wich einer lebensfreundlicheren, sauerstoffhaltigen Luft – in geologischen Maßstäben in nur einem Augenblick“, sagte James Farquhar, Professor für Geologie an der University of Maryland und Koautor der Studie. „Mit dieser Studie konnten wir endlich erstmals umfassend untersuchen, wie dieser Wandel durch Methandunst herbeigeführt wurde.“

Mithilfe detaillierter chemischer Aufzeichnungen und komplexer Atmosphärenmodelle rekonstruierten die Forscher die chemischen Bedingungen, die kurz vor der Großen Sauerstoffkatastrophe in der Atmosphäre herrschten. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass Bakterien (damals die einzige Form von Leben auf der Erde) erhebliche Mengen Methan produzierten, das reagierte und die Luft mit einem dichten Dunst füllte. Mit dieser Studie wird erstmals gezeigt, wie schnell diese Ereignisse einsetzten und wie lange sie anhielten. Eine vergleichbare Atmosphäre findet sich heute beispielsweise auf Titan, dem größten Mond des Saturn.

Noch faszinierender wurde die Forschungsarbeit durch die Entdeckung anomaler Muster von Schwefelisotopen in den geochemischen Daten, die sich auf diese Zeit beziehen. Schwefelisotopen werden bei der Rekonstruktion früherer Atmosphärenbedingungen oft als Proxy herangezogen, doch bei früheren Untersuchungen dieses Zeitraumes wurde nichts allzu Ungewöhnliches festgestellt.

„Hohe Methankonzentrationen bedeuteten, dass mehr Wasserstoff (das Gas, das den Aufbau einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre am stärksten unterbindet) in den Weltraum abgeführt wurde, sodass die Anreicherung der Luft mit Sauerstoff auf der ganzen Welt begünstigt wurde“, sagte Aubrey Zerkle, Biogeochemikerin an der University of St Andrews und Koautorin der Studie. „Unser neuer Datensatz stellt die hochauflösendsten Aufzeichnungen der chemischen Atmosphärenbedingungen des Archaikums dar, die je erstellt wurden, und verdeutlicht eindrucksvoll, wie es vor der Sauerstoffbildung an der Oberfläche unseres Planeten aussah.“

Der Methandunst erfüllte die Luft etwa eine Million Jahre lang, und nachdem ausreichend Wasserstoff aus der Atmosphäre verdrängt wurde, stellten sich günstige chemische Bedingungen ein, und die Sauerstoffbildung wurde angekurbelt, sodass sich mehrzellige Lebewesen entwickeln konnten.

„Es war schon lange ein Ziel der geochemischen Forschung, die Entwicklung der chemischen Bedingungen zu rekonstruieren, die in der Atmosphäre herrschten“, sagte Gareth Izon, der leitende Autor der Studie, der an der University of St Andrews als Postdoc zur Forschung beitrug. „Unsere neuen Daten belegen, dass die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre dynamisch war und, zumindest kurz vor der Großen Sauerstoffkatastrophe, äußerst empfindlich auf biologische Regulation reagierte.“

Das Projekt OXYGEN (Quantifying the evolution of Earth''s atmosphere with novel isotope systems and modelling) wird an der University of St Andrews noch bis zum Mai 2021 fortgeführt und wurde mit knapp 1,8 Millionen EUR von der EU finanziert.

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