Wer entscheidet, ob er atmet? Das Rätsel um die Entstehung des Sauerstoffs auf der frühen Erde

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Jeder kennt das Element Sauerstoff. Es kann mit fast allen anderen Elementen des Periodensystems Verbindungen bilden. Die Erdatmosphäre enthält etwa 21 % Sauerstoff. Woher kommt der Sauerstoff in der Atmosphäre?

Vielleicht kennen sogar Grundschüler diese Frage – die Photosynthese ist der Prozess, bei dem grüne Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid in Glukose und Sauerstoff umwandeln.

Haben Sie schon einmal daran gedacht, in der Zeit zurück zur Erde vor Milliarden von Jahren zu reisen und sich zu fragen, woher der Sauerstoff auf der Erde kam? Wurde auch der früheste Sauerstoff durch Photosynthese produziert?

Sauerstoff in der Atmosphäre

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Das große Oxidationsereignis: Die atmende Quelle der Erde

Vor etwa 4,57 Milliarden Jahren entstand die Sonne in einer unauffälligen Ecke der Milchstraße. Die nach der Entstehung der Sonne verbleibende Materie kondensierte zum Rest unseres Sonnensystems, darunter natürlich auch zur Erde, die vor etwa 4,55 Milliarden Jahren entstand.

Etwa die Hälfte der 4,55 Milliarden Jahre seit der Entstehung der Erde hatte der Planet fast keinen oder nur sehr wenig Sauerstoff. Erst vor etwa 2,4 Milliarden Jahren stieg die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre deutlich an und es kam zum Großen Oxidationsereignis (GOE). Während dieser Zeit hatte der Anstieg der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre tiefgreifende Auswirkungen auf das Leben und die Umwelt auf der Erde.

Nur 200 bis 300 Millionen Jahre vor dem Großen Oxidationsereignis war der Sauerstoffgehalt in der Erdatmosphäre extrem gering. Einige Studien gehen davon aus, dass frühe Mikroorganismen wie Cyanobakterien durch Photosynthese Sonnenenergie in chemische Energie umwandelten und dabei als Nebenprodukt Sauerstoff ins Wasser freisetzten. Mit der Zeit sammelte sich dieser Sauerstoff an und gelangte schließlich in die Atmosphäre.

Zusammenfassung geochemischer Daten und geologischer Aufzeichnungen von vor 2,5 bis vor 2 Milliarden Jahren

Der braune Bereich stellt das traditionelle „Große Oxidationsereignis“ dar (Bildquelle: Referenz [1])

Nachdem Sauerstoff in die Atmosphäre gelangt war, hatte dies tiefgreifende Auswirkungen auf die biologische und geologische Umwelt zu dieser Zeit. Sauerstoff ist für viele primitive anaerobe, atmende Organismen giftig und führt zum Aussterben einer großen Zahl von Organismen . Gleichzeitig reagierte Sauerstoff mit Verbindungen in der Atmosphäre und den Ozeanen und bildete neue geologische Strukturen , beispielsweise Hämatitschichten.

Obwohl Sauerstoff zum Aussterben vieler Organismen führte, ebnete er auch den Weg für neue, komplexere Lebensformen. Mithilfe von Sauerstoff entwickelten einige Organismen neue Möglichkeiten, Sauerstoff zum Überleben zu nutzen und bildeten so komplexere Ökosysteme.

Das Große Oxidationsereignis veränderte nicht nur die biologische und geologische Umwelt der Erde, sondern lieferte den Wissenschaftlern auch wichtige Hinweise zur Erforschung der Frühgeschichte der Erde und der Entstehung des Lebens.

Die Artenvielfalt der Erde (Bildquelle: Veer Gallery)

Einer der Gründe für den Sauerstoffanstieg: Es handelt sich um Nickel!

Natürlich gibt es auch zahlreiche andere wissenschaftliche Studien, die Hinweise auf das Große Oxidationsereignis liefern. Bereits 2009 wurde in einem Artikel in der Fachzeitschrift Nature über einen Grund für den Anstieg der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre spekuliert.

Durch die Analyse von Spurenelementen in Sedimentgesteinen an Dutzenden von Standorten fanden Forscher heraus, dass der ursprüngliche Ozean 400-mal mehr Nickel enthielt als die heutigen Gewässer . In den Ozeanen der frühen Erde gab es viele Mikroorganismen, die Methangas produzieren konnten. Diese Methan produzierenden Mikroorganismen benötigen nickelreiches Wasser für ihr Wachstum und ihre Vermehrung und setzen große Mengen Methangas in die Atmosphäre frei. Es wird vermutet , dass Methangas die Ansammlung von Sauerstoff verhindert .

Molekülstruktur von Methan (Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Nach der Untersuchung der Gesteine ​​stellten Wissenschaftler fest, dass vor etwa 2,4 Milliarden Jahren im Ozean gelöstes Nickel allmählich ausfiel, möglicherweise aufgrund der Abkühlung und Verfestigung des Erdmantels . Wenn der Nickelgehalt im Meer abnimmt, können auch Methanogene, die auf Nickel angewiesen sind, nicht mehr überleben. Dadurch wird Platz für Algen und andere Lebensformen geschaffen, die bei der Photosynthese Sauerstoff freisetzen . Dies liefert eine weitere plausible Erklärung für das Große Oxidationsereignis.

Vulkanische Aktivität: Eine weitere Vermutung über den Sauerstoff der Erde

In einem 2021 in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Artikel ging es hauptsächlich um die frühen Stadien des Auftretens von Sauerstoff in der Erdatmosphäre, insbesondere um den „geringe“ Anstieg des Sauerstoffgehalts vor dem Großen Oxidationsereignis . Die Forscher spekulierten, dass dieser frühe Anstieg des Sauerstoffgehalts durch vulkanische Aktivitäten ausgelöst worden sein könnte.

Vulkanische Aktivität (Bildquelle: Veer Gallery)

Durch die Analyse von Bohrkernen aus Westaustralien fanden Forscher Anzeichen einer Quecksilberanreicherung und oxidativer Verwitterung, die mit vulkanischer Aktivität in Zusammenhang stehen . Dieser Beweis stützt die Hypothese, dass vulkanische Aktivität bei diesem frühen Sauerstoffanstieg eine Schlüsselrolle spielte.

Durch vulkanische Aktivität entstehen nährstoffreiche Lava und Asche , die verwittern und in Flüsse und andere Wasserquellen gelangen. So werden beispielsweise durch die Verwitterung massiver Basaltkrusten phosphorhaltige Nährstoffe freigesetzt, die die Vermehrung von Cyanobakterien und anderen Einzellern fördern und so für mehr Sauerstoff sorgen. Die Forscher vermuten, dass vulkanische Aktivität durch Reaktionen mit vulkanischen Gasen auch langfristig zur Erschöpfung des Sauerstoffs in der Atmosphäre führen könnte.

Cyanobakterien (Blaualgen) (Bildquelle: Veer Gallery)

Der Anstieg des Sauerstoffs ist auf eine Steigerung der Sauerstoffproduktion zurückzuführen und nicht auf eine Verringerung des Sauerstoffverbrauchs durch Gesteine ​​oder andere abiotische Prozesse. Dies ist von großer Bedeutung für das Verständnis der Evolution komplexen Lebens.

Schwefeldioxid-Photolyse: ein neuer Weg zur abiotischen Sauerstoffproduktion

Gab es also überhaupt keinen Sauerstoff auf der Erde, bevor Cyanobakterien auftauchten und begannen, Sauerstoff freizusetzen? Woher kommt der Sauerstoff, falls vorhanden?

Kürzlich veröffentlichten Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen Artikel in der Fachzeitschrift „Chemical Science“, in dem sie entdeckten, dass durch die Photolyse von Schwefeldioxidmolekülen Schwefelatome und Sauerstoff entstehen können , wodurch eine neue Sauerstoffquelle in der frühen Erdatmosphäre entstand.

Wissenschaftler nutzten die Dalian Light Source, die hellste und vollständig abstimmbare Freie-Elektronen-Laserlichtquelle der Welt im extremen Ultraviolettbereich , um ihren Wellenlängenbereich zwischen 120 und 160 Nanometern einzustellen und so Schwefeldioxid direkt in Schwefelatome und Sauerstoff aufzuspalten.

Dalian-Lichtquellengerät (Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Da Photonen selbst Energie tragen, ist die Energie des Photons umso höher, je kürzer die Wellenlänge ist. Im Experiment stellten sie außerdem fest, dass bei einer Wellenlänge von 121,6 Nanometern die Ausbeute etwa 30 % erreichen konnte. Bei diesem Prozess handelt es sich um einen neu entdeckten nicht-biologischen Weg zur Sauerstoffproduktion, der auf der photochemischen Sauerstoffproduktion aus Kohlendioxid- und Wassermolekülen beruht .

Schematische Darstellung der Schwefeldioxid-Photolyse (Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Nun stellt sich erneut die Frage, warum sich die Wissenschaftler für 121,6 Nanometer entschieden haben?

Dies liegt daran, dass die Wellenlänge der Lyman-α-Linie von 121,6 Nanometern eine bestimmte Wellenlänge im Spektrum der Wasserstoffatome ist. Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und Lyman-Alpha-Strahlung kommt bei vielen astronomischen Phänomenen und Sternaktivitäten sehr häufig vor. Bei Sternen, insbesondere bei jungen, aktiven und heißen Sternen, ist die Vakuum-Ultraviolettstrahlung ein wichtiger Energieabgabekanal.

Unter der Vakuum-Ultraviolettstrahlung dieser Sterne ist die Lyman-α-Linie normalerweise die stärkste und am häufigsten vorkommende Spektrallinie . Diese Eigenschaft macht Lyman-α zu einem nützlichen Instrument für die Untersuchung vieler Bereiche wie Sternaktivität, interstellares Medium und Planetenatmosphären.

Vulkanausbrüche im späten Archaikum setzten Schwefeldioxidgas frei, das dann in großen Mengen in die Atmosphäre gelangte. Forscher vermuten, dass Sauerstoff durch Photolyse von Schwefeldioxid unter Lichteinwirkung entsteht. Dies bedeutet, dass die Vakuum-Ultraviolett-Photolyse von Schwefeldioxid eine wichtige neue Sauerstoffquelle in der primitiven Atmosphäre der Erde darstellen könnte.

Abschluss

Die Entstehung und Entwicklung der Erde und ihrer Materialien ist ein komplexer und wunderbarer Prozess. Obwohl Sauerstoff uns jede Minute unseres täglichen Lebens begleitet, bleiben seine Quelle und Produktion ein Rätsel, das gelöst werden muss. Die materielle Welt ist komplex und es ist genau dieser Prozess der kontinuierlichen Erforschung, der es dem Menschen ermöglicht, den wahren Charme der Natur zu schätzen.

Quellen:

[1]Poulton, S., Bekker, A., Cumming, V., Zerkle, A., Canfield, D., & Johnston, D. (2021). Eine Verzögerung der dauerhaften Sauerstoffversorgung der Atmosphäre um 200 Millionen Jahre. Nature, 592(7853), 232-236.

[2]Farquhar, James, Huiming Bao und Mark Thiemens. „Atmosphärischer Einfluss des frühesten Schwefelkreislaufs der Erde.“ Science 289.5480 (2000): 756-758.

[3]Konhauser, Kurt O., et al. „Nickelmangel in den Ozeanen und eine Methanmangelung vor dem Großen Oxidationsereignis.“ Nature 458.7239 (2009): 750-753.

[4]Meixnerová, Jana, et al. „Quecksilbervorkommen und Isotopenzusammensetzung weisen auf subaerischen Vulkanismus vor dem Sauerstoffeinbruch am Ende des Archaikums hin.“ Proceedings of the National Academy of Sciences 118.33 (2021): e2107511118.

[5]Lu, Zhou, et al. „Beweise für die direkte Produktion von molekularem Sauerstoff bei der CO2-Photodissoziation.“ Science 346.6205 (2014): 61-64.

[6]Chang, Yao, et al. „Vakuum-Ultraviolett-Photodissoziation von Schwefeldioxid und ihre Auswirkungen auf die Sauerstoffproduktion in der frühen Erdatmosphäre.“ Chemische Wissenschaften (2023).