Warum dauerte es 2 Milliarden Jahre, bis sich die Oxidation der Ozeane entwickelte? Der Schlüssel liegt in dieser riesigen "Bibliothek" →

Sauerstoff ist die Quelle des Lebens. Der Sauerstoffgehalt auf der Erde war in der Frühzeit extrem niedrig. Erst vor 2,4 Milliarden Jahren kam es auf der Erde zum ersten großen Oxidationsereignis, bei dem der Sauerstoffgehalt mehr als 1 % seines heutigen Niveaus erreichte, was zum ersten Auftreten eukaryotischen Lebens auf der Erde führte. Das zweite große Oxidationsereignis ereignete sich vor 580 bis 520 Millionen Jahren, als der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre auf über 60 Prozent des heutigen atmosphärischen Sauerstoffgehalts anstieg und damit die rasche Entstehung der Tierwelt und die kambrische Explosion auslöste.

Warum dauerte es fast 2 Milliarden Jahre, bis der Oxidationsgrad der Erdatmosphäre und der Ozeane nach dem ersten großen Oxidationsereignis dramatisch anstieg? Ein chinesisch-britisches Team unter der Leitung des Forschers Zhu Maoyan vom Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verwendete eine Reihe geochemischer Indikatoren in Kombination mit mathematischen Modellen, um erstmals systematisch nachzuweisen, dass die Existenz eines riesigen Reservoirs an gelöstem organischem Kohlenstoff im Ozean der Hauptgrund für die Verzögerung der vollständigen Oxidation des Ozeans im Proterozoikum war. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der geowissenschaftlichen Fachzeitschrift Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht.

Das Modell des gelösten organischen Kohlenstoffpools wurde erstmals von amerikanischen Wissenschaftlern vorgeschlagen. Das Modell geht davon aus, dass die Mikroorganismen, die in der durchscheinenden Oberflächenzone des präkambrischen Ozeans Photosynthese betrieben, hauptsächlich Prokaryoten waren. Nach dem Absterben dieser Mikroorganismen waren die organischen Stoffpartikel klein und die Sedimentationsrate langsam. Sie reicherten sich weiter im Meerwasser an und bildeten einen riesigen Pool an gelöstem organischem Kohlenstoff im Meer, der mehr als 1.000 Mal so groß ist wie der Pool an gelöstem organischem Kohlenstoff im heutigen Ozean. Da diese feinen organischen Stoffpartikel, hauptsächlich Bakterien, leicht oxidieren und zersetzen, verbrauchen sie große Mengen Sauerstoff im Meerwasser, was zu langfristiger Hypoxie im Ozean führt und die Zunahme der atmosphärischen Oxidation verhindert. Es ist, als wäre der präkambrische Ozean ein riesiger Sumpf gewesen, in dem eine große Menge an Humus und organischer Substanz ständig Sauerstoff verbrauchte, was zu Trübung und Sauerstoffmangel im Wasser führte. Nur wenn dieser Pool an organischem Kohlenstoff vollständig entfernt wird, kann der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre und den Ozeanen deutlich ansteigen. Doch das Modell wurde später in Frage gestellt. Gegner argumentierten, dass die frühe Erde nicht genügend Oxidationsmittel bereitgestellt haben könne, um die riesigen Kohlenstoffreserven im Ozean zu beseitigen.

Im Jahr 2019 veröffentlichte ein chinesisch-britisches Team unter der Leitung von Zhu Maoyan einen Artikel in Nature Geoscience. Darin wird die These aufgestellt, dass großflächige Gebirgsbildungsbewegungen zur Verwitterung riesiger Mengen von Evaporitmineralien führen, die sich in Meeresbecken bilden, was zu einer großen Menge an Sulfat (Oxidationsmittel) führen kann. Diese sulfatreduzierenden Bakterien verbrauchen in großem Umfang den gelösten organischen Kohlenstoff im Meerwasser und führen durch die großflächige Einlagerung von Pyrit (Sauerstoffproduktion) letztendlich zu einer Verringerung des Kohlenstoffpools und einer schnellen Oxidation des Ozeans.

Um diese Hypothese zu untermauern, entdeckte das Team das größte, aber kurzlebige negative Kohlenstoffisotopendrift-Ereignis der Erdgeschichte in der Ediacara-Doushantuo-Formation (vor etwa 600 Millionen Jahren) im Abschnitt Nantuo Village im Drei-Schluchten-Gebiet meines Landes. Um die Ursache dieses negativen Driftereignisses zu verstehen, führte das Team eine detaillierte Multiisotopenanalyse von Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel, Uran, Strontium usw. durch und stellte schließlich fest, dass es sich um ein kurzfristiges marines Oxidationsereignis handelte, das durch einen erhöhten Schwefelsäureeintrag infolge verstärkter kontinentaler Verwitterung ausgelöst wurde.

Sie analysierten, dass das Ereignis der negativen Kohlenstoffisotopendrift im frühen Ediacarium den Beginn des Zerfalls dieses großen Pools an gelöstem organischem Kohlenstoff in der Tiefsee markieren könnte. Nachfolgende gepulste Oxidationsmittelzufuhrereignisse von längerer Dauer und größerer Intensität verbrauchten kontinuierlich den gelösten organischen Kohlenstoffpool im Ozean, was schließlich zu seinem Untergang im frühen Kambrium führte. Der Ozean oxidierte stärker, was die Voraussetzungen für die explosionsartige Ausbreitung der Tierwelt im frühen Kambrium und die Entstehung komplexer Meeresökosysteme schuf.