Sauerstoffanstieg auf der Erde? Der Grund ist tatsächlich die Verlangsamung der Rotation! Wie ist das möglich?

Mehr Sonnenlicht hilft dabei, Sauerstoff aus der mikrobiellen Schicht zu entweichen.

Ein Tölpelfisch ruht auf mit violetten und weißen Mikrobenmatten bedeckten Felsen in einem Dolinenloch auf Middle Island im Huronsee.

(Bildnachweis: Phil Hartmeyer, National Oceanic and Atmospheric Administration, Thunder Bay National Marine Sanctuary)

Nun gibt es eine neue Idee, wie die Erde zu einem sauerstoffreichen Planeten wurde: Als sich die Rotation des Planeten verlangsamte, waren Mikroben länger im Sonnenlicht gebadet, was die Rate, mit der sie Sauerstoff in die Atmosphäre freisetzten, erhöhte.

Sie können frei atmen, weil vor Milliarden von Jahren das erste Leben auf der Erde – dichte Kolonien von Cyanobakterien – begann, durch Photosynthese Sauerstoff zu produzieren. Doch sind sich die Wissenschaftler noch immer nicht sicher, was die beiden transformativen Sauerstoffereignisse auslöste, die die Erde von einem sauerstoffarmen Planeten in eine sauerstoffreiche Welt verwandelten, auf der sich komplexes Leben entwickeln und vielfältiger werden konnte.

Nun haben Forscher einen wichtigen Faktor identifiziert, der die Freisetzung von mikrobiell produziertem Sauerstoff möglicherweise vorangetrieben hat: eine Verlangsamung der Erdrotation, die vor etwa 2,4 Milliarden Jahren begann. Als die Erde neu war, drehte sie sich schneller und vollendete eine Umdrehung in wenigen Stunden, doch im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren wurde ihre Geschwindigkeit allmählich langsamer. Einer neuen Studie zufolge erreicht die Tageslänge einen bestimmten Schwellenwert, und längere Lichtperioden ermöglichen es, dass mehr Sauerstoffmoleküle aus Bereichen mit hoher Konzentration (Bakterienmatten) in Bereiche mit niedrigerer Konzentration (die Atmosphäre) diffundieren, möglicherweise während dieser kritischen Sauerstoffanreicherungszeiten.

Hinweise auf diesen Zusammenhang fanden Wissenschaftler vor Kurzem in einem Dolinenloch am Grund des Huronsees. Der Huronsee, der an Michigan und Ontario in Kanada grenzt, ist einer der größten Süßwasserseen der Welt. Die Zhongdao-Cenote im See hat einen Durchmesser von 91 Metern und liegt etwa 24 Meter unter der Wasseroberfläche. Dort nährt das schwefelreiche Wasser farbenfrohe Mikroorganismen, die in sauerstoffarmen Umgebungen gedeihen, genau wie die ersten Bakterien der Erde.

In den eisigen Tiefen des Dolinenlochs leben zwei Arten von Mikroorganismen: violette Cyanobakterien, die durch Photosynthese Sauerstoff produzieren und Sonnenlicht suchen, und weiße Bakterien, die Schwefel verbrauchen und Sulfat freisetzen. Die Mikroben kämpfen den ganzen Tag um ihre Position, und morgens und abends bedecken die schwefelfressenden Bakterien ihre violetten Nachbarn und verhindern so, dass die violetten Mikroben die Sonne erreichen. Wenn das Sonnenlicht jedoch am stärksten ist, meiden die weißen Mikroben das Licht und graben sich tiefer in den Boden ein, wodurch die Purpuralgen freigelegt werden und Photosynthese betreiben und Sauerstoff freisetzen können.

Ein ähnlicher Wettbewerb könnte vor Milliarden von Jahren zwischen mikrobiellen Gemeinschaften stattgefunden haben, als die mikrobiellen Nachbarn der sauerstoffproduzierenden Bakterien ihnen den Zugang zum Sonnenlicht versperrten, schreiben die Forscher. Als die Tage auf der Erde länger wurden, verbrachten die Sauerstoffproduzenten mehr Zeit im Sonnenlicht und gaben mehr Sauerstoff in die Atmosphäre ab.

„Wir haben erkannt, dass es einen grundlegenden Zusammenhang zwischen Photodynamik und Sauerstofffreisetzung gibt, der auf der Physik der Moleküldiffusion beruht“, sagt die Hauptautorin Judith Kratt, eine Forscherin am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Dabei kommt es zu thermischen Veränderungen, die dazu führen, dass Moleküle von Bereichen mit hoher zu niedriger Konzentration wandern.

„Selbst wenn jede Stunde die gleiche Menge Sauerstoff produziert wird, würde an einem kürzeren Tag weniger Sauerstoff aus der Matte entweichen“, sagte Kratt in einer E-Mail gegenüber Live Science.

Lila mikrobielle Matten im Center Island-Dolinenloch im Huronsee im Juni. Die Hügel und „Finger“ wie die auf dem Pad werden durch Gase wie Methan und Schwefelwasserstoff verursacht, die unter ihnen aufsteigen. (Bildnachweis: Phil Hartmeyer, National Oceanic and Atmospheric Administration, Thunder Bay National Marine Sanctuary)

Schleuderperiode

Heute dreht sich die Erde alle 24 Stunden einmal um ihre Achse, vor vier Milliarden Jahren dauerte ein Tag jedoch nur etwa sechs Stunden, berichten die Forscher. Seit Milliarden von Jahren wird der fortwährende Tanz der Erde mit dem Mond durch einen Prozess namens Gezeitenreibung gebremst, der die Erdrotation verlangsamt.

Während sich die Erde dreht, üben der Mond (und in geringerem Maße die Sonne) einen Zug auf die Ozeane der Erde aus. Dadurch würden die Ozeane gedehnt und vom Erdmittelpunkt wegbewegt, wodurch ihrer Rotation Energie entzogen und sie verlangsamt würden, sagte der Co-Autor der Studie, Brian Arbic, Professor in der Abteilung für Erd- und Umweltwissenschaften am College of Literature, Science and the Arts der University of Michigan.

Die Verlangsamung war geringfügig, aber über Hunderte von Millionen Jahren hinweg verlängerte sich das Tageslicht um einige Stunden. die Verlangsamung halte bis heute an, teilte Arbic Live Science in einer E-Mail mit.

„Die Gezeitenreibung wird die Rotation weiterhin verlangsamen – und die Tage werden im Laufe der geologischen Zeit immer länger“, sagte Abick.

Ein Taucher beobachtet violette, weiße und grüne Mikroorganismen, die die Felsen am Middle Island Sinkhole im Huronsee bedecken. (Bildnachweis: Phil Hartmeyer, National Oceanic and Atmospheric Administration, Thunder Bay National Marine Sanctuary)

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Die Forscher simulierten verschiedene Szenarien der Tageslänge und des Sauerstoffverlusts aus der mikrobiellen Schicht. Als sie ihr Modell mit einer Analyse konkurrierender mikrobieller Matten verglichen, die aus dem Nakajima-Erdloch entnommen worden waren, stellten sie fest, dass ihre Vorhersagen bestätigt wurden: Bei längeren Tagen setzten photosynthetische Bakterien mehr Sauerstoff frei.

Das liegt nicht daran, dass die Mikroben mehr Photosynthese betreiben; Der Grund dafür liegt vielmehr darin, dass durch die längere Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf mehr Sauerstoff aus den Matten entweicht, sagt Arjun Chennu, Co-Autor der Studie und Wissenschaftler am Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung in Bremen.

„Der Kern des Mechanismus liegt in einer subtilen Entkopplung der Sauerstofffreisetzung vom Sonnenlicht“, sagte Chennu in einer Erklärung.

Die Erdatmosphäre entstand, nachdem der Planet vor etwa 4,6 Milliarden Jahren entstand und abkühlte. Sie besteht hauptsächlich aus Schwefelwasserstoff, Methan und Kohlendioxid (CO2) – 200 Mal so viel CO2 wie heute in der Atmosphäre vorhanden ist, so das Smithsonian Environmental Research Center.

Dies änderte sich nach dem Großen Oxidationsereignis (GOE) vor etwa 2,4 Milliarden Jahren, gefolgt vom Neoproterozoischen Oxidationsereignis etwa 2 Milliarden Jahre später, das den Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre auf den heutigen Wert von etwa 21 % ansteigen ließ. Bisher ging man davon aus, dass die beiden Sauerstoffanreicherungsereignisse mit der Aktivität photosynthetischer Cyanobakterien in Zusammenhang stehen. Die neuen Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass ein weiterer Faktor darin bestanden haben könnte, dass die Erdentage – „ein Faktor, der zuvor weitgehend unberücksichtigt geblieben war“ – lang genug wurden, um die mikrobiellen Matten zur Abgabe von mehr Sauerstoff zu veranlassen, „parallel zu anderen, zuvor vorgeschlagenen Treibern der Sauerstoffanreicherung“, sagte Kratt.

VON: Mindy Weisberger

FY: Yin Yiting

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