Planet Erde hat einige wirklich beeindruckende Eigenschaften. (Negative Bewertungen konzentrieren sich, so muss man sagen, meist auf das Personal und die Kundschaft.) Ganz oben auf der Liste der Vorzüge steht eine sauerstoffreiche Atmosphäre, aber das geschah nicht über Nacht – es brauchte ein paar Milliarden Jahre Evolution, um eine Welt zu schaffen, die für tierisches Leben wie uns geeignet ist.
Wissenschaftler haben viele Ideen, was den Anstieg des Sauerstoffs verursacht haben könnte, und es scheint, dass mehrere davon wahrscheinlich richtig sind. Das Leben ist Teil der Geschichte, wobei photosynthetisches Leben Sauerstoff produziert. Auch die Chemie der festen Erde spielte eine Rolle, sowohl durch die Unterstützung des photosynthetischen Lebens als auch durch Reaktionen, die Sauerstoff zwischen der Atmosphäre und Gesteinen tief im Planeten hin- und hertransportieren.
Eine neue Studie unter der Leitung von Wei Shi von der Chengdu University of Technology legt nahe, dass Hinweise auf Veränderungen in der Subduktion – dem Prozess, bei dem tektonische Platten in das Erdinnere verschwinden – mit dem Zeitpunkt der Sauerstoffsprünge übereinstimmen. Die Erde hat sich im Laufe der Zeit allmählich abgekühlt, und die spärlichen Überreste ihrer frühesten Geschichte zeigen, dass sich wichtige geologische Prozesse dadurch erheblich verändert haben. Früher wäre kaltes, dichtes Oberflächengestein durch heißes Mantelgestein gesunken, in einer Weise, die mit der modernen Plattentektonik wenig gemein hatte. Die Kontinente um uns herum sind 4,5 Milliarden Jahre lange Bauprojekte, daher ist Vorstellungskraft nötig, um sich vorzustellen, was es früher gab.
Es war keine glatte, lineare Entwicklung – es scheint Übergangspunkte in dieser geologischen Geschichte zu geben. Auch die Sauerstoffanreicherung der Erdatmosphäre verlief nicht linear. Sie begann mit einem Sprung während des Großen Sauerstoffereignisses vor etwa 2,4 bis 2,0 Milliarden Jahren, stagnierte dann bis zur Wiederaufnahme vor 800 bis 500 Millionen Jahren. Ein dritter Anstieg vor 450 bis 250 Millionen Jahren brachte uns auf das heutige Sauerstoffniveau.
Die Idee des Forschungsteams war, dass Veränderungen in der Subduktion den atmosphärischen Sauerstoff beeinflusst haben könnten, indem sie kontrollierten, wie viel Kohlenstoff und Schwefel – die beide gerne Bindungen mit Sauerstoff eingehen – in das tiefe Innere transportiert wurden. Wenn der Mantel heißer ist, gelangen Kohlenstoff und Schwefel mit subduziertem Gestein nicht sehr weit nach unten; sie werden in den flachen Mantel freigesetzt und können bald über Vulkane zurückkommen, bereit, jede mutige Sauerstoffmoleküle zu schnappen. Das Gegenteil ist, dass eine Platte, die in kühleren Mantel eintaucht, mehr von ihrem Schwefel und Kohlenstoff behält.
An Orten, an denen subduziertes Gestein seinen Weg zurück an die Oberfläche findet, erzählen uns die Mineralien und die subtile Chemie in ihnen von den Temperaturen und Drücken, die sie erfahren haben. Durch den Vergleich dieser Daten erstellte das Team ein umfassendes Bild der Geschichte der Subduktion. Wenn die Hypothese stimmt, würde man eine Subduktion bei niedrigeren Temperaturen zur gleichen Zeit erwarten, wie der atmosphärische Sauerstoff ansteigt.
Die Daten scheinen tatsächlich übereinzustimmen. Subduktion bei niedrigeren Temperaturen zeigt sich vor 2,2 bis 1,8 Milliarden Jahren und dann, nach einer Pause, dominiert sie die letzten 800 Millionen Jahre. Die frühere Periode stimmt mit dem ersten Großen Sauerstoffereignis überein; die jüngere Periode umfasst den zweiten und dritten Sauerstoffsprung. (Die Zeit dazwischen ist in der Geologie als das „Langweilige Milliarde“ bekannt, weil… nicht viel passiert zu sein scheint.) Als die Forscher diese Geschichte durch ein einfaches chemisches Modell laufen ließen, fanden sie heraus, dass sie den zeitlichen Verlauf der Sauerstoffanreicherung grob reproduzieren konnten.
Der Beginn der Geschichte, so sagen sie, könnte die Bildung eines frühen Superkontinents namens Columbia gewesen sein. Mit Land über dem Meeresspiegel könnte Erosion genügend Nährstoffe in die Ozeane liefern, um eine große Menge photosynthetischer Cyanobakterien zu unterstützen – sichtbar in Meeresboden-Sedimentgesteinen, die reich an organischem Kohlenstoff sind. Der Zerfall Columbias fällt mit den ersten Anzeichen einer Subduktion bei niedrigeren Temperaturen zusammen, die es ermöglicht hätte, mehr organischen Kohlenstoff und Karbonat tief in den Mantel zu subduzieren.
Dann kam das Langweilige Milliarde, als selbst Mantelkonvektion und tektonische Plattenbewegung träge zu sein schienen. Aber danach brachten uns die Bildung und der Zerfall von Gondwana und Pangäa zu einer Karte der tektonischen Platten, die der heutigen ähnelt. Die Forscher vermuten, dass die Subduktion bei niedrigeren Temperaturen in den letzten 800 Millionen Jahren eine effizientere Einlagerung von Kohlenstoff und Schwefel in den Mantel ermöglichte, was die Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre vorantrieb.
„Unsere Ergebnisse liefern eine plausible Erklärung dafür, wie die innere Dynamik der Erde die langfristige Entwicklung des atmosphärischen Sauerstoffs gesteuert haben könnte“, sagte Shi. „Es ist, als ob die Erde ein planetarer Hamsterer wäre, der Kohlenstoff und Schwefel im Mantel versteckt, damit sie keinen Sauerstoff binden können.“