Wann und wo begann sich O2 auf der Erde anzusammeln?

Durch die Untersuchung alter Gesteine haben Forscher herausgefunden, dass die Erde vor 2,5 bis 2,3 Milliarden Jahren das erlebt hat, was Wissenschaftler das „Great Oxidation Event“ oder kurz „GOE“ nennen. Zu diesem Zeitpunkt sammelte sich erstmals O2 in der Erdatmosphäre an und ist seitdem präsent.

Durch zahlreiche Studien in diesem Forschungsbereich haben sich jedoch Hinweise darauf ergeben, dass es vor dem GOE geringe Mengen an O2 in kleinen Bereichen der alten flachen Ozeane der Erde gab. In einer Studie, die kürzlich in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht wurde, hat ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Arizona State University (ASU) überzeugende Beweise für eine signifikante Sauerstoffanreicherung der Ozeane vor dem Erdzeitalter geliefert, und zwar in größerem Umfang und in größeren Tiefen als bisher angenommen.

Für diese Studie wählte das Team eine Reihe von 2,5 Milliarden Jahre alten marinen Sedimentgesteinen aus Westaustralien, die als Mt. McRae Shale bekannt sind. „Diese Gesteine waren perfekt für unsere Studie geeignet, da sie nachweislich während einer anomalen Sauerstoffanreicherung vor dem Großen Oxidationsereignis abgelagert wurden“, sagt der Hauptautor Chadlin Ostrander von der School of Earth and Space Exploration der ASU.

Schiefer sind Sedimentgesteine, die irgendwann in der Vergangenheit der Erde auf dem Meeresboden alter Ozeane abgelagert wurden. In einigen Fällen enthalten diese Schiefer die chemischen Fingerabdrücke der alten Ozeane, in denen sie abgelagert wurden.

Für diese Forschung löste Ostrander Schieferproben auf und trennte die interessierenden Elemente in einem sauberen Labor und maß dann die Isotopenzusammensetzung mit einem Massenspektrometer. Dieser Prozess wurde mit Hilfe der Co-Autoren Sune Nielsen von der Woods Hole Oceanographic Institution (Massachusetts), Jeremy Owens von der Florida State University, Brian Kendall von der University of Waterloo (Ontario, Kanada), den Wissenschaftlern Gwyneth Gordon und Stephen Romaniello von der School of Earth and Space Exploration der ASU und Ariel Anbar von der School of Earth and Space Exploration und der School of Molecular Sciences der ASU durchgeführt. Die Datenerfassung dauerte über ein Jahr und nutzte Einrichtungen der Woods Hole Oceanographic Institution, der Florida State University und der ASU.

Mit Massenspektrometern maß das Team die Thallium- und Molybdän-Isotopenzusammensetzung des Mt. McRae Shale. Dies war das erste Mal, dass beide Isotopensysteme in ein und demselben Schieferprobenpaket gemessen wurden. Wie vermutet, ergab sich ein vorhersehbares Thallium- und Molybdän-Isotopenmuster, das darauf hindeutet, dass Manganoxid-Mineralien über weite Bereiche des alten Ozeans im Meeresboden vergraben wurden. Damit diese Einlagerung stattfinden konnte, musste O2 bis zum Meeresboden vor 2,5 Milliarden Jahren vorhanden gewesen sein.

Diese Ergebnisse verbessern das Verständnis der Wissenschaftler für die Geschichte der Sauerstoffanreicherung in den Ozeanen der Erde. Die Anreicherung von O2 war vor dem GOE wahrscheinlich nicht auf kleine Teile des Oberflächenozeans beschränkt. Vielmehr erstreckte sich die O2-Akkumulation über große Regionen des Ozeans und reichte weit in die Tiefen des Ozeans hinein. In einigen dieser Gebiete scheint sich die O2-Akkumulation sogar bis zum Meeresboden ausgedehnt zu haben.

„Unsere Entdeckung zwingt uns, die anfängliche Sauerstoffversorgung der Erde neu zu überdenken“, erklärt Ostrander. „Viele Indizien deuten darauf hin, dass sich O2 in der Erdatmosphäre erst nach etwa 2,5 Milliarden Jahren während des GOE anreicherte. Es ist jetzt jedoch offensichtlich, dass die anfängliche Sauerstoffanreicherung der Erde im Ozean ihren Ursprung hat. O2 reicherte sich wahrscheinlich in den Ozeanen der Erde an – unseren Daten zufolge in beträchtlichen Mengen -, lange bevor dies in der Atmosphäre geschah.“

„Jetzt, da wir wissen, wann und wo sich O2 zu bilden begann, stellt sich die nächste Frage nach dem Warum“, sagt ASU President’s Professor und Mitautor Anbar. „Wir glauben, dass Bakterien, die O2 produzieren, in den Ozeanen gediehen, lange bevor sich O2 in der Atmosphäre anreicherte. Was hat sich geändert, um diese Anreicherung zu verursachen? Daran arbeiten wir als nächstes.“