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Auswirkungen wechselnder Sauerstoffgehalte der Erdatmosphäre auf das Leben

Eines der Dinge, welches unsere gute alte Erde von allen anderen Planeten des Sonnensystems unterscheidet, ist die sauerstoffhaltige Atmosphäre. Der heutige Gehalt an Sauerstoff von rund 21 % wird durch komplizierte physikalische, biologische, chemische und geologische Wechselwirkungen kontrolliert. Das wir überhaupt Sauerstoff in unserer Atmosphäre haben, ist den Pflanzen zu verdanken. Bevor die Photosynthese entwickelt wurde, kam Sauerstoff nur in geringen Spuren in der Atmosphäre vor. Den größten Teil der Geschichte der Erde war Sauerstoff also kaum vorhanden. Erst vor rund 1,9 Milliarden Jahren stieg der Sauerstoffgehalt an. Davon zeugen mächtige gebänderte Eisenerze, die sogenannten Banded Iron Formations. Eisenhaltige Lösungen drangen und dringen durch vulkanische Aktivitäten aus der Erdkruste in das Meer. Das darin enthaltene Eisen, als Fe2+ wasserlöslich, geriet in die flacheren und lichtdurchfluteten Bereiche des Meeres. Hier fanden die ersten photosynthesetreibenden Lebewesen ideale Lebensbedingungen, Sauerstoff war hier schon im Meerwasser vorhanden. Durch den Sauerstoff wurde das lösliche Fe2+ zu wasserunlöslichem Fe3+ oxidiert und lagerte sich auf dem Meeresboden ab. Jetzt, vor eben 1,9 Milliarden Jahren, befand sich wohl schon genug Sauerstoff im Meer, um auch in größeren Tiefen das Eisen zu oxydieren. Damit versiegte der Nachschub an Eisen zu den Flachmeeren und die Bildung der gebänderten Eisenerze blieb aus.
Seither stieg der Gehalt an Sauerstoff in der Atmosphäre langsam an, um schließlich den heutigen Wert von rund 21% zu erreichen.

Aber auch in der jüngeren Vergangenheit der Erde, dem sogenannten Phanerozoikum (der Zeitraum seit dem Auftreten der Fossilien im Kambrium bis heute) schwankte der Gehalt an Sauerstoff in der Atmosphäre teilweise beträchtlich, wenn auch in deutlichen Grenzen. So findet sich beispielsweise fossile Holzkohle, Fusinite, in den Kohleablagerungen der Karbonwälder. Sie sind Zeugen für Waldbrände. Unter einem Sauerstoffgehalt von rund 13 % würden wohl keine Waldbrände ausbrechen. Auf der anderen Seite finden sich auch große fossile Bäume in den Ablagerungen. Oberhalb von 30 – 35 % Sauerstoffgehalt wären die Waldbrände wohl zu häufig für das Wachstum größerer Bäume gewesen.
Um einen genaueren Einblick in die möglicherweise wechselnde Zusammensetzung der Erdatmosphäre zu unterschiedlichen Zeitaltern zu bekommen, werden verschiedene Methoden benutzt. Die einfachste unter ihnen wäre sicherlich die, einfach eine Probe alter Luft zu analysieren. Ähnlich wie man es mit eingeschlossener Luft in Eisbohrkernen aus Grönland bereits macht. Das Problem dabei ist nur, es gibt kein Eis, das so alt ist. Dafür aber andere Möglichkeiten. So haben Robert Berner von der Yale University und Gary Landis vom US Geological Survey bereits gegen Ende der 1980´er Jahre Bernstein untersucht und dabei winzige, nur 10 Mikrometer große Luftblasen gefunden (Science, Vol.238, S. 890). Diese wurden mit einem Quadrupol Massenspektrometer analysiert. Es hat sich dabei gezeigt, dass in 80 Millionen Jahre altem Bernstein eingeschlossene Luft rund 30 Vol% Sauerstoff enthielt. In 25 Millionen Jahre altem Bernstein aus der Dominikanischen Republik fand sich etwas weniger Sauerstoff als in der heutigen Luft und im Baltischen Bernstein von 40 Millionen Jahren lag der Luftsauerstoffgehalt auf dem selben Niveau wie heutzutage. Die eigentliche Überraschung dabei war die Tatsache, das sich überhaupt nennenswerte Sauerstoffgehalte in der eingeschlossenen Luft fanden. Bis zu dem Zeitpunkt war man der Meinung, dass Sauerstoff, der von einem Tropfen Baumharz eingeschlossen wird, entweder mit dem Harz reagiert oder von Bakterien veratmet wird. Somit waren Sauerstoffgehalte deutlich über 30% ein ermutigendes Zeichen für die Methode. Die Bläschen standen nicht nur unter rund 10 Atmosphären Druck, welchen die überlagernden Sedimente auf den Bernstein ausgeübt hatten. Auch das Verhältnis von Sauerstoff plus aus Sauerstoff durch Stoffwechselvorgänge entstandenem Kohlendioxid zu dem chemisch trägen Stickstoff war in Bernsteinen des selben Alters immer gleich, auch wenn in einzelnen Bläschen der Sauerstoffgehalt schwankte. Auch bei heutigen Baumharzen stimmt das Sauerstoff-Stickstoff Verhältnis in den Luftbläschen mit dem der Atmosphäre überein.

Auch von einer anderen Überlegung her könnte die Kreidezeit eine Zeit steigenden Sauerstoffanteils in der Atmosphäre gewesen sein. So beruht der Gehalt an freiem Sauerstoff in der Atmosphäre unter anderem auf seiner Produktion durch Photosynthese und dem Sauerstoffverbrauch, z.B. durch Oxidation organischer Substanz, aber auch von Verwitterung der Gesteine der Erdkruste. Dabei sollte die Sauerstoff Menge steigen, wenn viel organische Substanz diesem Kreislauf entzogen wird. Das geschieht unter anderem in den Sedimenten der Meere, wenn diese unter sauerstofffreien Bedingungen abgelagert werden, wie das bei Faulschlämmen der Fall ist. Während der Kreide hatten wir in den Meeren ausgedehnte Zonen mit Sauerstoffmangel (Spektrum d. Wissenschaft, Dez. 2003, S. 48-56). Hier wurden sogenannte marine Schwarzschiefer abgelagert, Gesteine, die sich aus Faulschlämmen bilden.
Da bei der Bildung der organischen Substanz durch Photosynthese Sauerstoff frei wird, entsprechen die kreidezeitlichen Schwarzschiefer einem Sauerstoff Überschuss für die Atmosphäre. Gestützt wird der Gedanke von verschiedenen Modellrechnungen. So hat ein Team um Robert Berner versucht, den Gehalt der Atmosphäre an Sauerstoff mit Hilfe eines Modells zu ermitteln (Science, Vol. 287, S. 1630-1633). Dabei machten sie sich die Angewohnheit der photosynthesetreibenden Lebewesen zu Nutze, bestimmte Kohlenstoffisotope zu bevorzugen. In der organischen Substanz ist 12C gegenüber 13C angereichert. Vergleichbares geschieht bei der bakteriellen Sulfatreduktion mit dem Schwefelisotop 32S. Biogen gebildete Sulfide sind an dem schweren Isotop 34S verarmt.

Die Ergebnisse sind erstaunlich: Besonders auffällig ist ein Sauerstoffmaximum vor rund 300 Millionen Jahren, also während des Karbons. Eine Zeit, in der riesige Insekten die Welt bevölkerten, wie z.B. Libellen mit über 70 cm Flügelspannweite. Vermutlich hat der hohe Sauerstoffgehalt der damaligen Atmosphäre das Wachstum von so großen Insekten begünstigt. Rund 35% Sauerstoff würde für Insekten eine verbesserte und erleichterte Atmung bedeuten (Nature, Vol. 375, S. 117-120). Das würde nicht nur ein Größenwachstum ermöglichen, sondern auch so energieintensive Tätigkeiten wie z.B. das Fliegen. Möglicherweise war die Atmosphäre auch dichter als heute. Wenn der Gehalt an Stickstoff unverändert gegenüber den heutigen Bedingungen war, würde ein Sauerstoffgehalt von 35% eine um 21% dichtere Atmosphäre bedeuten. Eine dichtere Atmosphäre würde Insekten und anderen fliegenden Lebewesen einen stärkeren Auftrieb verschaffen, und damit die Entwicklung des aktiven Fliegens unterstützen.

Während der Perm-Trias Grenze sank der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre dann rapide, bis er mit rund 15% sein Minimum erreichte. Bei gleichbleibendem Stickstoffgehalt würde das bedeuten, dass die Dichte der Erdatmosphäre damals rund 13% unter der heutige lag. Mit dem Perm endete nicht nur das Erdaltertum, direkt an der Grenze zur Trias fand auch das bislang wohl größte Massensterben der Erdgeschichte statt. Nach Schätzungen sind damals nicht nur rund 90 bis 96% aller Arten ausgestorben, auch sämtliche tropischen Riffe verschwanden. Es liegt nahe, einen Zusammenhang zu vermuten. Ein Team um den Geologen O. Weidlich von der Universität Kiel (Geology V. 31 p. 961-964) hat die Entwicklung von Riffen vom Perm bis in die Trias untersucht. Existierten im Mittleren Perm noch ausgedehnte Riffe in den tropischen und auch in den gemäßigten Breiten, so war an der Grenze zur Trias nichts mehr von ihnen übrig. Im Laufe der Zeit veränderte sich auch ihre Zusammensetzung, von Korallen und Brachiopoden mit hohem Sauerstoffbedarf hin zu wenigen Korallen und vor allem Schwämmen, die hinsichtlich des Sauerstoffgehalts erheblich toleranter sind. Die Zusammensetzung der Riffe ähnelte immer mehr einer Gemeinschaft in Gebieten mit mangelndem Sauerstoffgehalt im Wasser.
Und nicht nur in den Ozeanen, auch auf dem Land hatten die Lebewesen erhebliche Probleme mit der sich verändernden Atmosphäre. Gregory Retallack von der Universität Oregon (Geology, V. 115, Nr. 9, p. 1133-1152) untersuchte Fossilien von Wirbeltieren und fossile Böden im Karroobecken von Süd Afrika. Es fand sich nicht nur ein deutlicher Rückgang der aufzufindenden Arten, sondern auch deutliche Hinweise auf einen radikalen Klimawechsel an der Grenze von Perm und Trias. Das Klima wurde wärmer und vor allem feuchter. Zusätzlich änderte sich die Zusammensetzung der Kohlenstoffisotope von Fossilien und Böden. Das könnte ein Hinweis auf die Freisetzung gewaltiger Mengen an Methan sein. Nach diesem Szenario könnten Erdbeben, aber auch Vulkanausbrüche oder Meteoriteneinschläge Methanhydrate in den Schelfmeeren freigesetzt haben. Methan ist nicht nur ein sehr wirksames Treibhausgas, die Oxidation würde auch große Mengen an Sauerstoff verbrauchen. Der Sauerstoffgehalt an der Perm-Trias Grenze sank auf nur noch 15%, möglicherweise sogar nur 12%. Die Lebewesen hatten mit erheblichen Atemproblemen zu kämpfen, Der Sauerstofflevel in 100 – 200 m Höhe, wie im Karroo Becken während des Perms und der Trias, entsprach dem, der heute in rund 5000 m Höhe herrscht. Die Lebwesen damals wären also von der Bergkrankheit bedroht gewesen.

Auf diesen Tiefstand des Sauerstoffpegels folgte während des Mesozoikums eine langsame Erholung. Ab Mitte des Jura, also zur Zeit der Dinosaurier, zeigen die Berechnungen von Robert Berner wieder Werte um 26%, und auf dieser Höhe blieb der Sauerstoffpegel auch während der Kreidezeit stehen.
Diesen zweiten „Sauerstoffpeak“ verdächtigt der Zoologe Robert Dudley (Journal of Experimental Biology Vol. 201, p. 1043) nun, den Wirbeltieren unter die Flügel gegriffen zu haben. Allerdings ergeben sich da ein paar Probleme, weil die fossile Überlieferung oftmals nicht so vollständig ist, wie es sich die Paläontologen gerne wünschen. Archaeopteryx, einer der sehr frühen Vögel, lebte im oberen Jura vor ungefähr 150 Millionen Jahren. Flugsaurier sind ab der Trias bekannt und Fledermäuse möglicherweise ab der Kreide. Auffällig ist wieder ein enormes Größenwachstum der fliegenden Wesen. Pteranodon ingens aus der Oberkreide mit immerhin 7 Metern Flügelspannweite, aber einem Körpergewicht von wahrscheinlich nur 15 Kilogramm wurde in der jüngsten Kreidezeit noch von Quetzalcoatlus übertroffen. Mit einer Flügelspannweite von über 15 Metern war er wahrscheinlich das größte fliegende Wesen, das je auf der Erde gelebt hat. Wie die Flugsaurier mit ihren im Verhältnis zu den Flügeln sehr kleinen Körpern und den schwachen Beinen sich in die Luft erheben konnten, verblüfft bis heute die Paläontologen. Neben den Vorteilen, die der höhere Sauerstoffgehalt für die Leistungsfähigkeit des Körpers mit sich bringt, war möglicherweise auch hier die Atmosphäre erheblich dichter als heute. Die Flugsaurier waren also quasi wie mit einem Turbolader versehen.

Der erhöhte Gehalt der kreidezeitlichen Erdatmosphäre an Sauerstoff kann auch ein helleres Licht auf die Ereignisse an der Grenze von der Kreide zum Tertiär werfen. Die Ära der Dinosaurier endete im wahrsten Sinne des Wortes mit einem Knall. Die Erde kollidierte mit einem großen Himmelskörper. Wenn der kleine Meteorit, den der Geologe Frank Kyte aus den Ablagerungen der Kreide-Tertiär Grenze im pazifischen Ozean fand(Nature, Vol. 396, S.237-239), ein Bruchstück des Killers ist, handelte es sich wohl um einen kohligen Chondriten. Der bei dem Einschlag emporgeschleuderte Staub verdunkelte die Erde. Photosynthese war nicht mehr möglich und die Nahrungskette war unterbrochen. Der Staub lagerte sich als deutliches und weltweit zu findendes iridiumreiches Sediment der Grenze von Kreide und Tertiär ab. Neben dem Iridium findet sich auch noch eine große Menge fein verteilter Kohlenstoff in dieser Schicht. Wenn dieser Kohlenstoff auf Ruß zurückzuführen ist, dann würde die Menge des erforderlichen Rußes auf ein enormes Feuer hindeuten, bei dem ein großer Teil der Biomasse auf der Erde verbrannt wurde. Hat die Hitzewelle der Explosion des einschlagenden Meteoriten zusammen mit dem erhöhten Sauerstoffgehalt der Atmosphäre zu einem weltweiten Feuersturm geführt? Und wenn ja, hat dieses Feuer den Sauerstoffgehalt drastisch verringert? Könnten also die hohen Gehalte an Sauerstoff zusammen mit leicht entzündlicher Biomasse zu der verheerenden Wirkung des Einschlages beigetragen haben? Dazu muss zunächst die Frage geklärt werden, wann sich der Ruß ablagerte und vor allem, wie schnell der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre an der Grenze von Kreide und Tertiär sich änderte.

Eines allerdings steht schon jetzt fest: Für die Autoren von Science Fiction Geschichten haben die Funde große Bedeutung. Zeitreisende sollten beachten, dass sie in manchem Perioden der Erdgeschichte besser auf das Rauchen verzichten und leicht entflammbare Kleidung meiden sollten. Waldbrände dürften eine erheblich größere Gefahr gewesen sein, als herumstreunende Saurier.

© 2004 Gunnar Ries


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