Zusammenfassung:
Eine Untersuchung von Sedimentgesteinen in Südafrika vor etwa 2,3 bis 2,25 Milliarden Jahren liefert eine neue Erklärung dafür, wie Sauerstoff in der frühen Erdatmosphäre auf- und abstieg. Forscher analysierten Bohrkernproben der Transvaal Supergroup in Südafrika und fanden heraus, dass der Phosphorkreislauf, der Redoxzustand und die Sulfatveränderungen im Ozean miteinander verknüpft sind. In Kombination mit biogeochemischen Modellen glauben sie, dass diese Rückkopplungen während des Großen Oxidationsereignisses zu wiederholten dramatischen Veränderungen des atmosphärischen Sauerstoffgehalts führen und gleichzeitig die Erde dazu bringen könnten, sich allmählich in eine dauerhaft sauerstoffhaltige atmosphärische Umgebung umzuwandeln.
Der erste signifikante Anstieg des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre erfolgte vor etwa 2,43 bis 2,06 Milliarden Jahren und wird oft als „Große Sauerstoffanreicherungsperiode“ bezeichnet. Das Entstehen von Sauerstoff bedeutet nicht, dass die Atmosphäre danach sofort stabil war: In diesem Stadium kam es auch zu dramatischen Klimaveränderungen und mehreren Eiszeiten, und auch die chemische Umgebung des Ozeans und die dem Leben zur Verfügung stehenden Nährstoffe veränderten sich. Phosphor ist ein Schlüsselelement, das für das Wachstum des Lebens erforderlich ist, aber der in Gesteinen nachgewiesene Gesamtphosphorgehalt entspricht nicht dem Phosphor, den antike Organismen nutzen könnten.
Das Forschungsteam verwendete eine Methode zur Klassifizierung der Phosphorform, um verschiedene Mineralien in Gesteinen schrittweise aufzulösen und dabei Komponenten wie eisengebundenen, diagenetischen, organisch gebundenen und kristallisierten Phosphor zu unterscheiden, der hauptsächlich aus Detritus stammt. Auf dieser Grundlage können sie feststellen, welcher Phosphor möglicherweise im alten Ozean bioverfügbar war. Proben zeigen, dass die verstärkte Verwitterung nach dem Ende der Eiszeit möglicherweise mehr Phosphor in den Ozean gebracht und so die biologische Produktivität gefördert hat; Anschließend wirkten sich Änderungen des Sauerstoffstatus und der Sulfatversorgung der Ozeane auf die Zersetzung organischer Stoffe in Sedimenten und die Wiederverwertung von Phosphor aus. Phosphor gelangt wieder ins Meerwasser und schafft möglicherweise Bedingungen für das Wachstum weiterer Organismen.
Dieser Prozess wirkt sich wiederum auf den Luftsauerstoff aus. Mit zunehmender biologischer Produktivität kann mehr organischer Kohlenstoff auf dem Meeresboden abgelagert und vergraben werden; Wenn dieser Kohlenstoff während der Zersetzung keinen Sauerstoff wieder verbraucht, kommt es zu einer Nettoakkumulation von mehr Sauerstoff. Auf dieser Grundlage schlug das Forschungsteam vor, dass eine Rückkopplungskette zwischen Verwitterungseinträgen, Phosphorrecycling, Ozean-Redoxzustand und Sulfat gebildet wird, die Rückkopplung jedoch den Sauerstoffgehalt nicht reibungslos auf einem festen Niveau hält, sondern erhebliche Schwankungen in der Größenordnung von mehreren zehn Millionen Jahren verursachen kann. Die Modellergebnisse der Arbeit stützen diese Interpretation, aber die alten atmosphärischen Veränderungen werden immer noch auf der Grundlage geochemischer Gesteinsaufzeichnungen und -modelle und nicht auf der Grundlage direkter Messungen rekonstruiert.
Die Forschung wurde in „Nature Communications“ veröffentlicht. Die Autoren weisen darauf hin, dass dieser Mechanismus hilft, die gemeinsame Entwicklung von Sauerstoff, Nährstoffen und frühem Leben zu erklären, und legen auch nahe, dass Sauerstoff nicht der einzige Zustand ist, der die Entstehung komplexen Lebens beeinflusst. Die Forschung könnte auch eine historische Referenz zum Verständnis der modernen Ozeananoxie liefern: Wenn der Sauerstoffgehalt im Meerwasser sinkt, können sich auch die Phosphorverfügbarkeit und die Produktivität der Ozeane ändern. Rückkopplungsbeziehungen in paläogeologischer Zeit können jedoch nicht direkt mit spezifischen Vorhersagen moderner Ökosysteme gleichgesetzt werden.
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