Fast zwei Milliarden Jahre lang war Sauerstoff in der Erdatmosphäre nur ein unbedeutendes Spurengas. Doch als das Erdzeitalter Archaikum vor 2,5 Milliarden Jahren endete, stieg der Sauerstoffgehalt der Luft plötzlich auf etwa zwei Prozent. Womöglich leitete ein fundamentaler Wandel im Erdinneren diese ?Große Sauerstoffkatastrophe? ein, schreiben jetzt Brenhin Keller und Blair Schoene. Ihrer Meinung nach sank der Anteil geschmolzenen Gesteins im Erdmantel zu jener Zeit drastisch, woraufhin sich die chemische Zusammensetzung vulkanischer Gase änderte. Vulkanausbrüche verbrauchen seitdem weniger Sauerstoff. Erst ab diesem Zeitpunkt konnte sich das Gas des Lebens in der Atmosphäre anreichern.
Bislang hatten Geowissenschaftler keinen Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkatastrophe und Vorgängen im Erdinneren gesehen. Nach der Erfindung der Photosynthese begannen die Cyanobakterien vielleicht schon vor drei Milliarden Jahren damit, Sauerstoff zu produzieren. Weil sich im Meer und in der Luft aber sehr viele Stoffe wie Methan, Schwefelwasserstoff oder zweiwertiges Eisen befanden, die sofort mit Sauerstoff reagieren, konnte sich viele Jahrmillionen lang kein freier Sauerstoff in der Atmosphäre anreichern. Das änderte sich allerdings vor 2,5 Milliarden Jahren ? weil das im Meerwasser gelöste, reduzierte Eisen aufgezehrt war und sich in Rost verwandelt hatte, nahmen die Forscher bislang an.
Keller und Schoene haben nun eine andere Erklärung: Ihrer Meinung nach transformierte sich vor 2,5 Milliarden Jahren der gesamte Planet. Der Erdmantel, der sich seit der Entstehung der Erde vor etwa 4,6 Milliarden Jahren abgekühlt hatte, unterschritt zu diesem Zeitpunkt womöglich eine kritische Temperaturschwelle, woraufhin der Anteil geschmolzenen Gesteins im Erdmantel plötzlich von vorher 27 auf 17 Prozent sank. Auch die Erdkruste veränderte sich grundlegend. Granit, das wichtigste Gestein der kontinentalen Kruste, entstand nun nicht mehr in großen Tiefen, sondern in den oberen Kilometern der Kruste.
Beide Ereignisse bewirkten, dass Vulkane weniger sauerstoffzehrende Gase ausstießen. Als Folge reicherte sich Sauerstoff in der Atmosphäre und auch in den Ozeanen an. Erstmals versank die Erde in einer schlimmen Eiszeit. Womöglich zerstörte der Sauerstoff das Treibhausgas Methan in der Atmosphäre, was die Temperaturen sinken ließ.
Keller und Schoene führten eine statistische Analyse von insgesamt 70.000 Gesteinsproben aus allen Erdzeitaltern durch. Sie verglichen dabei den Gehalt verschiedener Spurenelemente, um herauszufinden, wie sich etwa die Dicke der Kruste oder der Anteil geschmolzenen Gesteins im Erdmantel entwickelt hat. Wie sie schreiben, war das mittlere Stockwerk der Erde vor vier Milliarden Jahren noch zu gut einem Drittel geschmolzen. Heute enthält der Mantel nur noch zehn Prozent Schmelze.
Dass der Anteil der Schmelze vor 2,5 Milliarden Jahren plötzlich sank, könnte entweder damit zu tun haben, dass zu diesem Zeitpunkt die Plattentektonik in ihrer modernen Form in Gang kam. Es könnte aber auch sein, dass die Temperatur in weiten Bereichen einfach unter den Schmelzpunkt des Mantelgesteins sank. ?Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass es wichtige und enge Wechselwirkungen zwischen biologischen und geologischen Systemen gibt?, sagt Schoene. ?Wichtige Veränderungen werden nicht einfach nur durch das Leben verursacht, das dann den Rest des Planeten mitzieht.”
Brenhin Keller und Blair Schoene (Princeton University): Nature, Bd. 485, S. 490, doi:10.1038/nature11024 © wissenschaft.de – Ute Kehse
