Als Luftsauerstoff die Regie übernahm

In beiden Perioden bevölkerte Anthropleura die Waldböden, vermutlich ein Urahn der heutigen Tausendfüßer. Dessen Körperlänge wird mit bis zu 2,63 Metern angegeben, sein Gewicht auf 50 Kilogramm geschätzt. Solche Urzeitwesen stehen beispielhaft für Variationen in unserer Atmosphäre, insbesondere beim molekularen Sauerstoff O₂. Dass sich dessen Gehalt in der Luft erdgeschichtlich immer wieder änderte, ist bereits lange bekannt. Neu hingegen ist, dass Prognosen zum künftigen Sauerstoff-Gehalt eher düster ausfallen: Das lebenswichtige Gas könnte schneller knapp werden als gedacht.

Geologische Zeitenwende

Doch zunächst noch weiter zurück in die Vergangenheit: Im Archaikum, also vor 2,5 bis 4,0 Milliarden Jahren, dominierte zwar ebenso wie heute der Stickstoff die damalige Luft. Methan und Kohlendioxid waren aber in deutlich höherer Konzentration vorhanden. Diese Treibhausgase könnten, trotz der damals schwächelnden Sonneneinstrahlung, ursächlich für das überwiegend eisfreie Klima gewesen sein. Spurengase waren Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak. Hinzu kam Schwefelwasserstoff: Er verlieh der Urluft das Odeur fauler Eier – Äonen bevor die Evolution Eier hervorbrachte.

Der Unterschied zu heute: Es gab praktisch keinen freien Sauerstoff. Er konnte sich nicht dauerhaft anreichern, weil er sofort chemische Verbindungen mit reduzierenden Substanzen wie Eisen, Schwefel oder Methan einging. Die Atmosphäre war deshalb „anoxisch“. Organismen – soweit vorhanden – nutzten für ihren Stoffwechsel Wege ohne das reaktionsfreudige chemische Element.

Zu einem anhaltenden Anstieg des Sauerstoffs kam es erstmals während des Großen Oxidationsereignisses, im Fachjargon GOE (Great Oxidation Event) genannt, vor etwa 2,0 bis etwa 2,4 Milliarden Jahren. Annahmen dazu gab es bereits Mitte des 19. Jahrhunderts. Der heute kaum noch bekannte belgische Chemiker Corneille Jean Koene war damals schon lange vor seinen Kollegen auf der richtigen Spur. Den Ausdruck GOE prägte erst 2002 der in Mannheim geborene US-amerikanische Geochemiker Heinrich Holland.

Fels mit Bändereisenerzen aus Nordamerika: Der Gesteinsblock ist rund zwei Meter hoch, 8,5 Tonnen schwer und 2,1 Milliarden Jahre alt. Er kann im Botanischen Garten von Dresden bestaunt werden. In solchen marinen Sedimenten wechseln sich silikatreiche Schichten aus Hornstein mit eisenhaltige Lagen hauptsächlich aus Hämatit ab. Der Sauerstoff in diesem Eisenoxid könnte von Photosynthese-Aktivitäten der Ahnen der Cyanobakterien stammen. · Foto: © Wikimedia Commons / André Karwath – Aka (CC BY-SA 2.5)

Im Schwefel lesen

Heute liest die Geoforschung die große Sauerstoff-Wende aus den Schwefel-Isotopen uralter Sedimente. Bei chemischen Reaktionen ändert sich nämlich das Verhältnis dieser Isotope. Fachleute wie der renommierte US-amerikanische Atmosphärenphysiker James Kasting von der Pennsylvania State University, 2022 emeritiert, nennen dies Isotopenfraktionierung.

Demnach zeigen die Gesteine vor dem GOE eine massenunabhängige Form dieser Fraktionierung, die in der sauerstoffarmen Gashülle durch die Spaltung des Schwefeldioxids (SO₂) in der Urluft durch die ultravioletten Strahlen der Sonne entstand. Die dabei erzeugten Verbindungen, beispielsweise Schwefelmonoxid (SO), konnten ihr massenunabhängiges Isotopensignal bewahren. Nach der Wende zum GOE filterte die neu entstandene Ozonschicht jedoch die UV-Strahlung. „Übersteigt die O₂-Konzentration bereits ein Hunderttausendstel des heutigen Niveaus, oxidieren die SO-Moleküle zu Sulfat“, sagt Kasting.

Die Sulfate gelangten dann in das große ozeanische Sulfat-Reservoir. Dadurch wurde jegliche massenunabhängige Fraktionierung aufgehoben, noch bevor sich der Schwefel in Sedimenten ablagerte. Man kann sich dieses Reservoir als riesigen Vorrat an gelöstem Sulfat vorstellen, der wie ein chemischer Puffer wirkt und den gesamten Schwefelkreislauf stabilisiert. Zwar sind die geochemischen Prozesse, die hier berücksichtigt werden müssen, durchaus komplex. Klar ist aber: Massenunabhängige Schwefelsignale lassen sich kaum erklären, wenn im Archaikum atmosphärischer Sauerstoff vorhanden gewesen wäre, beschreibt Kasting den Konsens unter den Forschern.

Abfallprodukt der Photosynthese

Ebenfalls weitgehend unstrittig ist, dass urzeitliche Mikroorganismen das GOE verursachten. Ihre Photosynthese setzte Sauerstoff als Nebenprodukt frei. Solche Cyanobakterien gehören zu den ältesten bekannten Lebensformen. Sie existierten bereits im mittleren Archaikum. Sie haben keinen Zellkern, vielmehr schwimmt ihr Erbgut in einer unregelmäßig geformten Region im Zellinnern. Andere Produzenten von Sauerstoff, Algen oder Pflanzen, mussten sich die Fähigkeit zur Lichtverwertung erst im weiteren Verlauf der Evolution aneignen, indem sie Cyanobakterien in ihren Organismus integrierten.

Auch wenn es anfangs nur um geringe Sauerstoff-Mengen ging, so veränderte dies grundlegend die Chemie von Luft und Meeren und führte zum massenhaften Aussterben derjenigen Organismen, für die das neue Gas toxisch war. Langfristig gab die Wende zum Sauerstoff der Evolution eine neue Richtung. Sie bahnte auch einer viel komplexeren Welt aus Tieren und Pflanzen den Weg, die später auch die Landmassen eroberten. Deshalb markierte das GOE einen wichtigen Wendepunkt in der Erdgeschichte.

Algen – wie hier Einzeller der Gattung Euglena – und ihre Vorfahren erzeugten schon vor Äonen gewaltige Mengen an molekularem Sauerstoff (O2) und tun dies noch heute. Das hat die Evolution der Lebewesen auf der Erde entscheidend geprägt. · Foto: © Science Photo Library / Fox, Frank

Allerdings sind viele damit verbundene Aspekte noch unklar. Wieso kam es erst lange nach dem Erscheinen der Cyanobakterien zu dem Ereignis? Auch zum Tempo des Sauerstoff-Anstiegs gibt es unterschiedliche Vorstellungen: Einige Befunde sprechen für einen relativ raschen Wandel, andere für einen langen, von Rückschlägen unterbrochenen Prozess. Ebenfalls ungeklärt ist, welches Niveau der Luftsauerstoff tatsächlich erreichte. Und schließlich geht es um die Verbindung zum Paläoklima (BDW 7/2026, „Die Fieberkurve der Erde“). Denn mehrere mit dem GOE etwa zeitgleiche Vergletscherungen der sogenannten Huronische Eiszeit werden als klimatischer Effekt des Sauerstoff-Events gedeutet. Mindestens eine davon war wohl ähnlich intensiv wie während der viel jüngeren Schneeball-Erde-Periode des Cryogeniums, die vor 720 Millionen Jahren begann (siehe BDW 7/2023, „Oasen auf der Schneeball-Erde“).

Zudem häufen sich seit Längerem Hinweise, dass es schon vor der großen Sauerstoff-Wende zu Anreicherungen des Gases kam, zu sogenannten Whiffs (deutsch: Hauch). Gemeint sind geologisch kurzzeitige O₂-Pulse in der Urluft.

Dazu wurden auch 2025 wieder mehrere Studien publiziert. Sie thematisieren, wann und wo es auf dem Globus solche Sauerstoff-Whiffs gab. Dabei sticht die Arbeit eines internationalen Teams um Xinming Chen von der Universität in Shanghai heraus. Untersucht wurden Isotope des Metalls Thallium, die darauf schließen lassen, dass es bereits vor rund 2,65 Milliarden Jahren im Wasser direkt über dem Grund der Urmeere vorübergehende Sauerstoff-Oasen gab. Sie könnten so verbreitet gewesen sein, dass zwischenzeitlich auch eine globale O₂-Anreicherung möglich war, kommentiert Kasting, der an der Studie nicht beteiligt war.

Erdsystem am Kipppunkt

Einen neuen Dreh in die Whiff-Debatte bringt eine Studie des Teams um Yasuto Watanabe vom Nationalen Institut für Umweltstudien in Japan. Die Forscher entwickelten ein Computermodell, um die wesentlichen Veränderungen zu simulieren, die im späten Archaikum stattfanden, also vor 2,5 bis 3,0 Milliarden Jahren. Das Team erfasste die globalen Kreisläufe von Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Eisen, Sauerstoff und Kalzium. Im Fokus standen die Auswirkungen enormer vulkanischer Ereignisse, bei denen sogenannte Magmatische Großprovinzen entstanden.

Solche Regionen wurden auf allen Kontinenten und am Meeresboden identifiziert. Sie entstanden innerhalb von wenigen Millionen Jahren, als Millionen Kubikkilometer Magma empor traten oder das Gestein der Oberfläche durchdrangen. Ein bekanntes Exemplar ist der indische Dekkan Trapp; diese gewaltige Vulkanregion wird als Mitverursacher des Massensterbens diskutiert, dem unter anderem die Dinosaurier zum Opfer fielen.

Starke und lange anhaltende Vulkanausbrüche könnten durch ihren gewaltigen Kohlendioxid-Ausstoß indirekt zur atmosphärischen Sauerstoff-Anreicherung beigetragen haben. Ein Beispiel ist der Dekkan Trapp im Westen Indiens. Er ist mit einer Fläche von 500.000 Quadratkilometern und einem Volumen von rund einer Million Kubikkilometern eine der größten magmatischen Großprovinzen der Erde. Er besteht aus vielen Schichten erstarrter Flutbasalte, die treppenartige Strukturen bilden und bis zu zwei Kilometer aufragen. Die gigantischen Vulkanausbrüche ereigneten sich immer wieder vor etwa 69 bis 62 Millionen Jahren. Das Foto zeigt das Westghat-Gebirge bei Matheran im Bundesstaat Maharashtra. · Foto: © Wikimedia Commons / Planet Labs, Inc (CC BY-SA 4.0)

Das bedeutet nicht, dass GOE ein rein vulkanisches Ereignis war. Auch Watanabe und seine Mitstreiter bezweifeln nicht die wichtige Rolle der Cyanobakterien. „Die Aktivität von Mikroorganismen im Ozean spielte eine zentrale Rolle bei der Entwicklung des atmosphärischen Sauerstoffs“, stellt der Geowissenschaftler Eiichi Tajika von der Universität Tokio klar, der an der Studie beteiligt war. „Wir gehen aber davon aus, dass dies nicht unmittelbar zu einer Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre führte, da die Menge an Nährstoffen im damaligen Ozean begrenzt war.“

So hätten niedrige Phosphatwerte die Aktivität der Cyanobakterien eingeschränkt. Es bedurfte deshalb gewaltiger geologischer Ereignisse, um die Meere mit Nährstoffen anzureichern. Dazu hätte auch eine intensive vulkanische Aktivität gehört, meint Tajika.

Die japanischen Forscher erklären den temporären Sauerstoff-Anstieg folgendermaßen: Vulkanausbrüche setzten in großem Stil Kohlendioxid frei, wodurch sich das Klima stark erwärmte. Auf den Kontinenten beschleunigte sich die Verwitterung der Gesteine, sodass über die Flüsse mehr Phosphor in die urzeitlichen Ozeane gespült wurde. Das kam einer Düngung gleich. Cyanobakterien produzierten daraufhin erheblich mehr Sauerstoff. Den Modellrechnungen zufolge geschah dies nicht gleichmäßig, sondern in Pulsen – das sind die Whiffs vor der Wende ins Sauerstoff-Zeitalter. Typischerweise dauerten diese Phasen bis zu zehn Millionen Jahre, bevor die Atmosphäre wieder in einen weitgehend sauerstofffreien Zustand zurückfiel.

Die Forscher schlussfolgern außerdem, dass die wachsenden Kontinente im späten Archaikum die Whiffs begünstigt haben. Mit der zunehmenden Landfläche konnte nämlich auch mehr Phosphor in die Meere gelangen, sodass die Erde immer empfindlicher auf die vulkanischen Impulse reagierte. Die beobachteten Sauerstoff-Whiffs könnten somit ein Zeichen dafür gewesen sein, dass das Erdsystem bereits nah an einem Kipppunkt stand. Sie wären demnach Vorboten des endgültigen Sauerstoff-Anstiegs während des Great Oxidation Event gewesen.

Wann kommt die Sauerstoff-Krise?

Auf lange Sicht kann die Wende zum Sauerstoff freilich enden. Nach den Annahmen von Kazumi Ozaki von der japanischen Toho-Universität, der auch an der Watanabe-Studie beteiligt war, und von Chris Reinhard vom Georgia Institute of Technology im US-amerikanischen Atlanta steht dem Luftsauerstoff ein fataler Kollaps bevor. Ihr Computermodell simuliert ebenfalls Klima, Atmosphäre, Ozeane und Biosphäre zusammen. Die Forscher ließen es in die Zukunft laufen, wobei sie die allmählich zunehmende Leuchtkraft der Sonne berücksichtigten.

Unser Tagesstern wurde bereits in der Vergangenheit immer heller und heißer und wird es weiter. Dies schließen Astronomen aus dem Studium sonnenähnlicher Sterne. Auf der Erde beschleunigt sich mit den höheren Temperaturen die Gesteinsverwitterung, was langfristig den CO₂-Gehalt der Luft sinken lässt. Fällt der Kohlendioxid-Gehalt aber unter einen kritischen Wert, wird die Photosynthese von Pflanzen und Mikroorganismen eingeschränkt, sodass immer weniger Sauerstoff produziert wird.

Um die Unsicherheiten bei den Parametern ihres Modells einzuhegen, erstellten die Forscher rund 400.000 Simulationen mit jeweils leicht unterschiedlichen Ausgangsbedingungen. Ausgewertet wurden nur diejenigen, die die heutige Erde reproduzierten. Demnach wird der Kohlendioxid-Gehalt so weit sinken, dass Pflanzen und andere photosynthetisch aktive Organismen nicht mehr überleben können. Ihr Massensterben wird die Hauptursache für die O₂ -Abnahme sein.

Aus den quasi realistischen Modellläufen ermittelten Ozaki und Reinhard, dass der Sauerstoff-Gehalt in 1,08 plus/minus 0,14 Milliarden Jahren auf Werte fallen wird, die an die Zeit vor dem GOE erinnern. „Der Rückgang des Sauerstoffs ist extrem stark – wir sprechen von etwa einer Million Mal weniger Sauerstoff als heute“, sagt Reinhard.

Auch die Ozonschicht wird immer dünner. Im Gegenzug wird wohl der Gehalt an Methan auf das bis zu 10.000-Fache des heutigen Wertes steigen. Und sobald diese Veränderungen einsetzen, werden sie schnell voranschreiten: Den Berechnungen zufolge könnte die Luft ihren Sauerstoff in nur etwa 10.000 Jahren einbüßen. „Die Biosphäre kann sich an einen so drastischen Wandel nicht anpassen“, sagt Ozaki. Das Leben danach wird nur noch aus primitiven Mikroben bestehen, die keinen Sauerstoff brauchen.

Die Studie, die 2021 in Nature Geoscience erschien, wurde auch zu einem Meilenstein in der Astrobiologie. Zwar gibt es Kritik an Details, etwa am genauen Zeitpunkt des prognostizierten Sauerstoff-Kollapses. Klar ist aber, dass die bloße Suche nach der O₂-Signatur nicht genügt, um lebensfreundliche Bedingungen auf erdähnlichen Exoplaneten zu finden. Deshalb werden geeignete Kombinationen von Biomarkern diskutiert.

Foto: © BDW-Grafik / Karl Marx; Quelle: E. E. Stüeken u.a., Reviews in Mineralogy and Geochemistry 90, 515 (2024)

Kasting plädiert für Sauerstoff plus Methan. Das Kalkül: Beide reagieren miteinander und bauen sich relativ schnell ab. Wenn sie dennoch nebeneinander existieren, muss es Quellen geben, die ständig nachliefern. Auf der Erde übernehmen dies etwa die Photosynthese der Pflanzen und die Verdauung von Rindern. Allerdings ist der kombinierte Nachweis für alle gegenwärtig in Betrieb oder im Bau befindlichen astronomischen Instrumente wohl zu schwierig. So bleibt diese Aufgabe für die nächste Generation von Weltraumteleskopen. ■

Die Entwicklung der Erdatmosphäre

Die Konzentration der Gase in der Luft hat sich in den 4,5 Milliarden Jahren der Erdgeschichte stark verändert. Die Kurven zeigen die relativen Beiträge bezogen auf den Luftdruck, die Flächen markieren dabei die Unsicherheiten. Die Lithosphäre der jungen Erde war eine einzige starre Hülle, wie heute beim Mars. Vor etwa drei Milliarden Jahren setzte die Plattentektonik ein, was die geochemischen Verhältnisse stark veränderte, auch die Anteile von Kohlendioxid (CO₂), Wasserdampf (H₂O) und manchen Spurengasen in der Atmosphäre. Methan (CH₄) wurde wohl hauptsächlich von frühen Bakterien erzeugt, vielleicht schon vor rund 3,5 Milliarden Jahren. Molekularer Sauerstoff (O₂) entstand zunächst dadurch, dass die Ultraviolettstrahlung der Sonne H₂O und CO₂ spaltete. Zu einem deutlichen O₂-Anstieg, dem Großen Oxidationsereignis (GOE), kam es, als Cyanobakterien die Fähigkeit zur Photosynthese entwickelten und CO₂ umsetzten. Daraufhin wurde CH₄ durch Oxidation abgebaut. Weniger Methan bedeutete weniger Dunst: Die nun transparentere Luft ermöglichte eine höhere Sonneneinstrahlung auf die Meere, was die Verdunstung und somit den Wasserdampf-Gehalt erhöhte. Ein ähnlich starker Vorgang vollzog sich vor rund 700 Millionen Jahren, als unser Planet größtenteils oder ganz gefroren war („Schneeball-Erde“), hatte aber andere Ursachen.

Foto: © BDW-Grafik / Karl Marx; Quelle: S. L. Olson, L. R. Kump, J. F. Kasting, Chem. Geol. 362, 35 (2013)

Oasen des Sauerstoffs

Im Archaikum, vor über 2,5 Milliarden Jahren, könnte es mehrere Ozeanregionen mit einer erhöhten Konzentration an gelöstem Sauerstoff gegeben haben: bis zu 6 Mikromol, also etwa 0,00078 Gewichtsprozent. Das scheint zwar wenig, doch an der heutigen Meeresoberfläche sind es auch nur etwa 250 Mikromol. Es wird vermutet, dass sauerstoffreiche Gebiete bereits vor dem Großen Oxidationsereignis auftraten und wieder verschwanden. Da über die Verteilung der Kontinente im Archaikum kaum etwas bekannt ist, wurde die gegenwärtige Lage zur Orientierung eingezeichnet; damals war die gesamte Landmasse wahrscheinlich wesentlich kleiner als heute.

THORSTEN DAMBECK ist promovierter Physiker und regelmäßiger BDW-Autor. Zuletzt berichtete er über irdische Eiszeiten sowie die vielen Eiskörper im Sonnensystem (BDW 3, 7 und 8/2026).