Welchen Schaden verursachen übermäßiges Pflanzenwachstum und hohe Sauerstoffkonzentrationen für andere Organismen?

Sauerstoff war früher als „Yangqi“ bekannt. Wie der Name schon sagt, ist es das Gas, das uns ernährt. Sauerstoff ist für alle Lebewesen eine lebenswichtige Substanz zum Überleben. Wenn Menschen nicht atmen, sterben sie innerhalb weniger Minuten. Tatsächlich ist eine zu hohe Sauerstoffkonzentration jedoch für Lebewesen schädlich.

Bei der aeroben Atmung handelt es sich im Wesentlichen um eine langsame Oxidationsreaktion, während die Verbrennung eine heftige Oxidationsreaktion ist. Daher kann die aerobe Atmung als eine langsame „Verbrennung“ betrachtet werden, die den Organismus letztendlich ausbrennen lässt.

In der Erdgeschichte gab es zwei Massenaussterbeereignisse, die auf die Verbreitung sauerstoffproduzierender Organismen wie Pflanzen oder auf übermäßige Sauerstoffkonzentrationen zurückzuführen waren.

Großes Oxidationsereignis

Das Große Oxidationsereignis, auch als „Sauerstoffkatastrophe“ bekannt, bezeichnet das großflächige Aussterben früher anaerober Organismen während des Prozesses der Umstellung von keinem auf etwas Sauerstoff in der Atmosphäre.

Vor etwa 3,8 Milliarden Jahren entstanden die ersten Lebensformen auf der Erde in einer Umgebung, in der es damals fast keinen Sauerstoff gab. Es handelte sich hauptsächlich um anaerobe Organismen, darunter Archaeen und echte Bakterien.

Archaeen

Die ersten sauerstoffproduzierenden Organismen, Cyanobakterien, traten vor 3,5 Milliarden Jahren auf. Dabei ist zu beachten, dass Cyanobakterien keine Pflanzen sind, sondern genauer als Cyanobakterien bezeichnet werden. Cyanobakterien sind sauerstoffproduzierende Prokaryoten, während Pflanzen sauerstoffproduzierende Eukaryoten sind.

Der von den Cyanobakterien produzierte Sauerstoff oxidierte alle damals auf der Erde überall vorhandenen reduzierenden Substanzen, vor allem zweiwertige Eisenionen. Dies dauerte eine ganze Milliarde Jahre.

Erbe der großen Oxidation: Eisenerz (Eisen(III)-Niederschläge, die durch Oxidation von Eisen(II)-Ionen durch Sauerstoff entstehen)

Vor etwa 2,4 Milliarden Jahren begann die Freisetzung von freiem Sauerstoff und die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre stieg im Verlauf einiger hundert Millionen Jahre von nahezu null auf 4 % (heute liegt sie bei 21 %).

Das große Oxidationsereignis: Phase 2

Die Schädlichkeit von Sauerstoff liegt in den bei der Oxidationsreaktion entstehenden Sauerstoffradikalen, die biologische Membranen und das genetische Material DNA schädigen können. Anaerobe Archaeen wurden bei dieser Sauerstoffkatastrophe fast ausgerottet. Vor dem Großen Oxidationsereignis waren Archaeen die vorherrschende Lebensform auf der Erde. Heute können wir Spuren von Archaeen nur noch in einigen extrem sauerstoffarmen unterseeischen Vulkanen, auf dem Grund von Salzwasserseen mit hoher Sauerstoffkonzentration und an anderen Orten sehen.

Einige Archaeen überlebten und entwickelten die Fähigkeit, DNA zu reparieren. Sie entwickelten nach und nach eine schützende Kernmembran und verfügten somit über einen Zellkern. Dies waren die primitivsten Eukaryoten und die gemeinsamen Vorfahren aller heutigen Pilze, Pflanzen, Tiere und Menschen.

Eukaryoten: Algenzellen

Vor etwa 21 Jahren verschlang diese Gruppe primitiver Eukaryoten ein aerobes Bakterium und bildete schließlich eine innere Symbiose. Die Mitochondrien siedelten sich somit im Inneren der eukaryotischen Zellen an. Von da an begannen die Eukaryoten ein aerobes Leben zu führen und sich in beschleunigtem Tempo zu entwickeln.

Archaeen vermehren sich durch Zweiteilung. Die ursprüngliche Zelle teilt sich in zwei Teile und die beiden neu gebildeten Zellen sind genau gleich wie die ursprüngliche. In diesem Sinne sind sie unsterblich, solange sie sich weiter teilen können.

Das Atmungszentrum der Eukaryoten: Mitochondrien

Um die negativen Auswirkungen der Zerstörung genetischen Materials durch Sauerstoff zu verringern, haben eukaryotische Organismen einen Mechanismus der Genrekombination entwickelt, d. h. die sexuelle Fortpflanzung, bei der sich die Nachkommen von ihren Eltern unterscheiden. Durch die Schädigung durch freie Sauerstoffradikale altert und stirbt jedes eukaryotische Individuum.

Daher förderte das Aufkommen von Sauerstoff die Evolution der Lebensformen in höhere und komplexere Richtungen, verkürzte jedoch die Lebensdauer.

Massenaussterben im späten Devon

Die zweite Katastrophe, die sich während des sauerstoffreichen Zeitalters ereignete, war das Massenaussterben im späten Devon. Seit dem Ordovizium sind Pflanzen und Arthropoden nacheinander auf der Erde gelandet. Damals gab es noch keine Tiere, die sich von lebenden Pflanzen ernährten. Tiere konnten nur andere Tiere oder die Überreste verrotteter Pflanzen- und Tierkadaver fressen. Dies führte über einen Zeitraum von mehr als 200 Millionen Jahren zu einer übermäßigen Verbreitung der Pflanzen, was im Spätdevon (vor 377 bis 359 Millionen Jahren) zur weltweiten Bildung von Urwäldern führte. Durch die Blüte der Landpflanzen stieg der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre dramatisch an.

Devonische Wälder und Arthropoden

Auf der frühen Erde gab es keinen Boden. Pflanzen wirkten auf Gestein ein, um den Boden zu zersetzen, der reich an anorganischen Salzen war, die für das Pflanzenwachstum erforderlich waren, und das weitere Wachstum der Pflanzen förderte. Diese anorganischen Salze werden in den Ozean gespült und führen zu wildem Algenwachstum, was wiederum zur Eutrophierung des Wassers und zum Verbrauch von Sauerstoff im Ozean führt.

Eutrophierung von Gewässern

So war die Atmosphäre im späten Devon reich an Sauerstoff, im Ozean herrschte jedoch Sauerstoffmangel, und zahlreiche Meerestiere erstickten.

Dunkleosteus ist mit einer Körperlänge von 6–7 Metern eine Art Placoderm und der Herrscher des Devon. Placodermen waren die vorherrschende Fischart im Devon, starben jedoch im späten Devon aus.

Während der über 20 Millionen Jahre dauernden Spätdevon-Zeit war das Land eine blühende Region, doch der Ozean war die Hölle. Es gibt eine Fischart namens Crossopterygii, die nicht bereit war, im Meer zu sitzen und auf ihren Tod zu warten. Deshalb entwickelten sie Lungen und Gliedmaßen, mit denen sie sich an Land fortbewegen konnten.

Eines Tages gelang ihnen schließlich die erfolgreiche Landung. Dies war der früheste Tetrapode, Ichthyostega, der gemeinsame Vorfahre der heutigen Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere und Menschen.

Sauerstoff-Kühleffekt

Eine weitere Auswirkung von Pflanzen, Cyanobakterien und dem von ihnen produzierten Sauerstoff auf die Umwelt der Erde ist die Abkühlung. In der Atmosphäre der frühen Erde gab es einen hohen Anteil an Methan, einem sehr wirksamen Treibhausgas. Seine Existenz sorgte dafür, dass die Erde in der Frühzeit eine relativ hohe Temperatur aufrechterhalten konnte, selbst als das Sonnenlicht relativ schwach war, und ermöglichte so die Entstehung von Leben.

Sauerstoff oxidiert Methan zu Kohlendioxid, das als Treibhausgas nicht so effizient ist wie Methan. Pflanzen können Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff freisetzen, wodurch eine positive Rückkopplungsschleife entsteht, die zu einem immer höheren Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre und einem immer niedrigeren Methan- und Kohlendioxidgehalt führt und so die Erde abkühlt.

Sowohl das Große Oxidationsereignis als auch das Aussterbeereignis im Oberdevon waren mit einer starken Abkühlung verbunden, die die Erde zu einem Schneeball gefrieren ließ.

Die Bildung polarer Gletscher wird zu einem Absinken des Meeresspiegels auf der Erde führen und die Kontinentalschelfe, von denen das Überleben der Flachmeerorganismen abhängt, der Meeresoberfläche aussetzen, was für die Flachmeerorganismen tödlich ist. Dies ist der Grund, warum im späten Devon eine große Zahl von Korallenriffen ausgestorben sind.

Zusammenfassen

Alles hat zwei Seiten, und Sauerstoff ist da keine Ausnahme. Einerseits versorgt es alle Lebewesen mit kostenloser, jederzeit verfügbarer Energie, fördert die Evolution des Lebens und macht die Welt bunter.

Andererseits führt seine oxidierende Eigenschaft zur Alterung und zum Tod von Organismen, und zu hohe Sauerstoffkonzentrationen können Organismen innerhalb kurzer Zeit ernsthaft schädigen, was medizinisch als „Sauerstoffvergiftung“ bezeichnet wird.

Durch Sauerstoff verkürzt sich unsere Lebensdauer, aber wir leben schöner.