Die Große Oxidation: Abfall wird zum Baustoff

I Dem Wasser Elektronen entreißen

Der Sauerstoff in jedem deiner Atemzüge wurde einmal aus Wasser herausgelöst. 1941 versahen Forscher Wasser mit einer Markierung: Sie ersetzten seinen Sauerstoff durch eine schwerere Variante und ließen eine Grünalge damit arbeiten. Der Sauerstoff, den die Alge anschließend abgab, trug dieselbe Markierung.

Pflanzen, Algen und Cyanobakterien zerlegen Wassermoleküle, nehmen sich die Elektronen und entlassen den übrig gebliebenen Sauerstoff als Abfall in die Luft. Die heutigen Photosynthese betreibenden Lebewesen erzeugen ihn so schnell, dass sie in ungefähr viertausend Jahren den gesamten Sauerstoff der Atmosphäre einmal austauschen könnten.

Doch sehr lange enthielt die Erdatmosphäre so gut wie keinen Sauerstoff. Erst vor etwa 2,4 Milliarden Jahren nahm seine Menge zum ersten Mal deutlich zu. Geologen nennen das die Große Oxidation. Dieser Teil erzählt davon, wie ein Abfallstoff einen ganzen Planeten umschrieb.

Zuerst die Frage: Warum überhaupt Wasser zerlegen? Das Schwierigste an der Photosynthese ist nicht, Licht einzufangen. Es ist die Suche nach Elektronen. Photosynthese soll Kohlendioxid in organische Stoffe verwandeln, und im Kern heißt das: dem Kohlendioxid Elektronen hinzufügen.

Der Kohlenstoff im Kohlendioxid befindet sich in einem elektronenarmen Zustand, der im Zucker in einem elektronenreichen. Um vom einen zum anderen zu gelangen, muss man irgendwo Elektronen auftreiben und hineinstecken. Jede Form der Photosynthese steht deshalb vor derselben Frage: Woher nehmen wir die Elektronen?

Das Licht liefert dabei nicht die Elektronen. Es liefert die Kraft, sie irgendwo herauszureißen. Die heute lebenden photosynthetischen Bakterien, die keinen Sauerstoff erzeugen, bedienen sich an unterschiedlichen Quellen: Schwefelwasserstoff, elementarem Schwefel, Wasserstoffgas, zweiwertigem Eisen oder bestimmten organischen Stoffen. Viele dieser Bakterien sind violett oder grün. Manche können einen ganzen Teich purpurrot färben.

All diese Stoffe haben etwas gemeinsam: Sie halten ihre Elektronen von vornherein nicht besonders fest. Man braucht wenig Kraft, um sie ihnen abzunehmen. Beim Wasser ist das anders. Wasser hält seine Elektronen ausgesprochen fest. Würde man Stoffe danach aufreihen, wie bereitwillig sie Elektronen hergeben, stünde Wasser ziemlich weit am unwilligen Ende. Schwefelwasserstoff, zweiwertiges Eisen und Wasserstoff wären an viel bequemeren Stellen zu finden.

Nur gibt es von diesen leicht zugänglichen Elektronenspendern nicht besonders viel. Man findet sie nur an Vulkankratern, heißen Quellen, an Stellen, aus denen Schwefelwasserstoff austritt. Wer aber lernt, dem Wasser Elektronen abzunehmen, hat keine Rohstoffsorgen mehr. Wasser ist überall.

Bakterien, die auf Schwefelwasserstoff angewiesen sind, müssen bei ihren paar Quellen bleiben. Cyanobakterien dagegen können über einen ganzen Ozean verstreut treiben. Früher nannte man sie Blaualgen. Der sattgrüne Belag, der im Sommer als Wasserblüte auf Seen schwimmt, besteht oft aus ihnen.

Die photosynthetischen Bakterien, die ihre Elektronen aus Schwefelwasserstoff beziehen, und die Cyanobakterien, die sie aus Wasser holen, erledigen also keineswegs dieselbe Aufgabe unter ähnlich schwierigen Bedingungen. Der Apparat, der bei Cyanobakterien das Wasser zerlegt, heißt Photosystem II. Für einen Augenblick entwickelt er eine Fähigkeit, Elektronen an sich zu reißen, die zum Stärksten gehört, was aus biologischen Systemen bekannt ist. Und damit ist erst die erste Hürde genommen.

Die zweite Hürde ist die Anzahl. Um aus zwei Wassermolekülen ein Sauerstoffmolekül freizusetzen, müssen insgesamt vier Elektronen entzogen und zugleich vier Protonen abgegeben werden. Außerdem müssen sich die beiden Sauerstoffatome zu einem Sauerstoffmolekül verbinden. Photonen kommen aber einzeln an. Jedes liefert nur eine Portion Kraft.

Es ist, als hätte man ein Brecheisen, mit dem man jeweils nur einmal hebeln kann, und sollte damit etwas anheben, dessen vier Ecken gleichzeitig hochmüssen. Man muss also zunächst ansparen. Das heutige System löst es mit Ratenzahlung: Es speichert die Wirkung von vier photochemischen Oxidationen nacheinander in einem Metallcluster. Sind alle vier beisammen, wird der Sauerstoff auf einen Schlag freigesetzt.

Zum ersten Mal erkannte man das in einer Reihe von Blitzversuchen. 1969 hielten französische Forscher photosynthetisch aktives Material zunächst im Dunkeln und gaben dann einen sehr kurzen Lichtblitz nach dem anderen darauf. Nach jedem Blitz maßen sie die freigesetzte Sauerstoffmenge. Die ersten beiden lieferten fast nichts, der dritte am meisten. Danach kam alle vier Blitze ein neuer Höhepunkt: beim siebten, beim elften. Die Spitzen wurden dabei immer flacher.

Im folgenden Jahr fasste der in den Niederlanden geborene amerikanische Biophysiker Kok das Geschehen als einen Zyklus schrittweiser Anreicherung zusammen. Damit ließ sich erklären, warum vier aufeinanderfolgende photochemische Ereignisse nötig sind, um einmal den Weg vom Wasser zum Sauerstoff zu durchlaufen. Noch heute heißt er in der Forschung Kok-Zyklus.

Der Metallcluster, der die Ladungen ansammelt, besteht aus vier Manganatomen, einem Calciumatom und fünf Sauerstoffatomen. Seine Gestalt wurde erst nach und nach sichtbar. 2011 gelang japanischen Forschern endlich eine hinreichend scharfe Aufnahme: Die zehn Atome bilden einen schiefen Stuhl.

Später nahm man ihn mit extrem kurzen Strahlungsblitzen auf, noch ehe die Strahlung ihn zerstören konnte. So ließ sich verfolgen, wie er sich in den einzelnen Stadien des Ladungssammelns verformt. Seit Jahrzehnten versuchen Forscher auf dem Gebiet der künstlichen Photosynthese, ihn nachzubauen: Wasser bei Raumtemperatur mit billigen Metallen zerlegen. Die Natur hat es mit gerade einmal vier Manganatomen und einem Calciumatom geschafft.

Woher dieser Cluster stammt, ist nicht eindeutig beantwortet. Einer Vorstellung zufolge lernten die frühesten photosynthetischen Bakterien zunächst, dem Mangan im Wasser Elektronen abzunehmen. So wurde das Mangan nach und nach von Proteinen in Dienst genommen. Andere Experimente zeigen, dass das heutige Photosystem II unter Lichteinwirkung einen solchen Cluster selbst aus Manganionen im Wasser zusammensetzen kann. Falls es am Anfang ebenso lief, brauchte es keinen bereits fertigen, eigens dafür geeigneten Vorläufer.

Für die sauerstoffbildende Photosynthese müssen außerdem zwei Photosysteme hintereinandergeschaltet sein. Das erste in der Arbeitsfolge, das dem Wasser die Elektronen entreißt, heißt ausgerechnet Photosystem II. Es wurde nämlich als zweites entdeckt.

Die Elektronen gelangen anschließend zum Photosystem I. Dort sorgt ein weiteres absorbiertes Photon für einen zweiten Hub. Dadurch entsteht eine ausreichend große „Bereitschaft zur Elektronenabgabe“, und schließlich werden die Elektronen an Kohlendioxid weitergereicht. Einmal anheben reicht nicht. Also hebt man zweimal.

Die heute lebenden photosynthetischen Bakterien, die keinen Sauerstoff bilden, besitzen meist nur ein Photosystem. Ihren Elektronenspendern sind die Elektronen ohnehin leicht abzunehmen. Wer sie aus Schwefelwasserstoff holt, muss nicht so hoch heben; ein Hub genügt. Ob du ein Photosystem brauchst oder zwei, hängt also davon ab, woher du die Elektronen nehmen willst.

Wie die beiden Photosysteme zusammenkamen, dazu gibt es mehrere Vorstellungen. Nach einer besaß der Vorfahr bereits beide, und die meisten Abstammungslinien verloren später jeweils eines davon. Nach einer anderen wurden die Systeme von verschiedenen Bakterien übernommen und erst dann zusammengesetzt. Milliarden Jahre des Verlierens und Weiterreichens haben dafür gesorgt, dass die heutigen Genstammbäume beide Lesarten zulassen.

Welche davon auch zutreffen mag, die Beschränkung bleibt dieselbe: Die Herkunft der Elektronen bestimmt, wie viele Hubstufen nötig sind, wie stark das Oxidationsmittel sein muss und was am Ende ausgeschieden wird. Cyanobakterien scheiden Sauerstoff aus. Dass Pflanzen und Algen diesen Trick später ebenfalls beherrschten, verdanken sie der Aufnahme ganzer Cyanobakterien in ihre Zellen. Davon handelt Teil fünf.

II Ein Signal verschwindet

Woher wissen wir, dass sich die Atmosphäre vor Milliarden Jahren verändert hat? Der wichtigste Hinweis steckt im Schwefel. Dafür müssen wir zuerst über Isotope sprechen.

Ein und dasselbe Element kann in unterschiedlich schweren Varianten vorkommen: Ihre Atomkerne enthalten unterschiedlich viele Neutronen. Chemisch verhalten sie sich fast gleich; manche sind nur etwas schwerer, andere etwas leichter. Bei den meisten physikalischen und chemischen Vorgängen kommt die leichtere Variante jedoch ein wenig schneller voran und reagiert ein wenig leichter.

Nach einem solchen Vorgang hat sich deshalb im Produkt das Verhältnis der leichten zur schweren Variante verschoben. Entscheidend ist: Die Größe dieser Verschiebung ist gewöhnlich proportional dazu, um wie viel die eine Variante schwerer ist.

Schwefel gibt es in mehreren Varianten: 32, 33, 34 und 36. Verschiebt sich das Verhältnis von Schwefel-34 zu Schwefel-32 um einen bestimmten Betrag, sollte sich das Verhältnis von Schwefel-33 zu Schwefel-32 um ungefähr die Hälfte verschieben. Sein zusätzliches Gewicht beträgt schließlich nur die Hälfte des Gewichtszuwachses bei Schwefel-34.

Diese Gesetzmäßigkeit nennt man massenabhängige Fraktionierung. Sie ist außerordentlich verlässlich; fast alle gewöhnlichen Vorgänge halten sich daran. „Massenunabhängige Fraktionierung“ klingt sperrig, bedeutet aber schlicht, dass es nicht nach dem Gewicht geht: Schwefel-33 oder Schwefel-36 weichen deutlich von der Linie ab, auf der sich die Verhältnisse entsprechend ihrer Masse verändern müssten.

Eine solche Fraktionierung gegen die Regel erzeugte man 1983 zum ersten Mal im Labor. Der amerikanische Chemiker Thiemens stellte mit elektrischen Entladungen Ozon her und bemerkte, dass sich darin die Anteile der Sauerstoffvarianten nicht der Masse entsprechend verschoben hatten. Siebzehn Jahre später fanden er und zwei Kollegen aus seinem Labor dieselbe Art von Abweichung im Schwefel alter Gesteine. Damit war das Phänomen in der Erdgeschichte angekommen.

Welcher Vorgang hält sich nicht an die Regel? Die derzeitige Erklärung lautet: ultraviolettes Licht, das auf Schwefeldioxid trifft. In einer Atmosphäre mit extrem wenig Sauerstoff und ohne schützendes Ozon kann kurzwelliges UV-Licht bis in die schwefeldioxidhaltigen Luftschichten vordringen. Die feinen Strukturen der Lichtabsorption von Schwefeldioxidmolekülen mit verschiedenen Schwefelisotopen skalieren jedoch nicht einfach mit deren Masse. Deshalb unterscheiden sich die Anteile, die vom Licht zerlegt werden, auf eine Weise, die nicht der Gewichtsregel folgt.

Die so entstehenden Produkte gelangen in unterschiedliche Schwefelreservoire des Meeres und werden schließlich in Sedimenten bewahrt. Um die kleine Abweichung zu messen, muss man den Schwefel aus dem Gestein holen, in eine gasförmige Verbindung überführen und in ein Gerät schicken, das die Varianten nach Gewicht trennt und einzeln zählt.

Im Jahr 2000 stellten die drei Forscher fest, dass Gesteine aus der Zeit vor etwa 2,45 Milliarden Jahren häufig solchen regelwidrigen Schwefel enthalten, mit starken Abweichungen. In jüngeren Gesteinen werden die Abweichungen schlagartig kleiner; aus der Zeit nach etwa 2,09 Milliarden Jahren sind sie nicht mehr messbar. Das ist der härteste Beleg dafür, dass sich die Atmosphäre verändert hat.

Beim Verschwinden dieses Signals wirken zwei unterschiedliche Vorgänge mit. Erstens: Sobald mehr Sauerstoff vorhanden ist, wird der Schwefel in der Atmosphäre, in welcher Form er anfangs auch vorlag, schließlich zu ein und derselben Stoffgruppe oxidiert und als Sulfat abgelagert.

Schwefel, der vorher getrennte Wege genommen und dabei positive oder negative Abweichungen mitgebracht hatte, landet nun im selben Becken. Die Abweichungen heben sich gegenseitig auf. Bei noch mehr Sauerstoff schirmt Ozon zusätzlich den entscheidenden UV-Bereich ab. Dann wird die Fabrik ganz stillgelegt.

Zweitens: Die oxidative Verwitterung der Kontinente vergrößert die Gesamtmenge an Sulfat im Meer. Selbst wenn noch ein wenig Schwefel mit auffälligen Abweichungen ins Meer gelangt, geht er nun leichter in einem riesigen Reservoir unter, dessen Schwefel bereits die gewöhnlichen Wege durchlaufen hat. Die Aufzeichnung wird verdünnt.

Ob sich die Abweichungen gegenseitig aufheben, verdünnt werden oder gar nicht erst entstehen, im Gestein ist das Ergebnis dasselbe: nichts Messbares. Das Signal kann uns also Folgendes sagen: Solange es vorhanden ist, enthält die Atmosphäre extrem wenig Sauerstoff. Modelle setzen die Obergrenze bei ungefähr einem Hunderttausendstel des heutigen Werts an. Verschwindet es, wissen wir nur, dass diese Grenze überschritten wurde. Um wie viel, sagt es uns nicht.

Andere Belege haben ihre eigenen Stärken und ihre eigenen blinden Flecken. Einige Minerale, etwa Pyrit, das sogenannte Katzengold, und ein uranhaltiges Mineral werden in sauerstoffhaltigem Wasser oxidiert und zersetzt.

Liegen solche Körner in altem Flusssand und sind sie vom Wasser rund geschliffen, dann wurden sie über längere Strecken gespült und transportiert, ohne dabei zu oxidieren. Wasser und Atmosphäre entlang ihres Weges besaßen damals also nur eine geringe Oxidationskraft. In heutigen Flüssen kämen solche Körner nicht weit, bevor sie oxidierten und sich auflösten. Eine rund 2,8 Milliarden Jahre alte Flusslandschaft in Südafrika ist ein klassisches Vorkommen solcher Minerale. Zugleich ist sie die Gegend, aus der weltweit das meiste Gold stammt.

Dann sind da die roten Gesteinsschichten. Rotes Gestein verdankt seine Farbe meist einer rostähnlichen Schicht auf den Oberflächen seiner Körner, und zum Rosten braucht es Sauerstoff. 2024 untersuchte man eine alte Schichtenfolge in Kanada. Anhand des Rostüberzugs auf Quarzkörnern kam man zu dem Schluss, dass er schon damals entstanden war. Damit ließen sich vergleichsweise verlässlich belegte frühe Rotsedimente an Land auf etwa 2,31 Milliarden Jahre datieren. Nur kann Rost auch viel später durch Grundwasser eingetragen werden. Die rote Farbe allein beweist deshalb nicht, wie die Atmosphäre bei der Ablagerung beschaffen war.

Ein weiteres berühmtes Gestein sieht aus wie ein Schichtkuchen: eine rote Lage, eine schwarze Lage. Es heißt Bändereisenerz beziehungsweise gebänderte Eisenformation. Aus ihm stammt der größte Teil der Eisenerze der Welt. In den Hamersley-Bergen Westaustraliens bestehen ganze Felswände aus diesen abwechselnd roten und schwarzen Lagen. Sie halten fest, wie große Mengen gelösten Eisens im Meer oxidiert wurden und zu Boden sanken.

Doch dafür muss nicht der Sauerstoff der Atmosphäre verantwortlich gewesen sein. Es könnte etwas Sauerstoff gewesen sein, den Cyanobakterien vor Ort im Oberflächenwasser erzeugten. Oder Bakterien, die selbst keinen Sauerstoff bilden und Eisen unmittelbar als Elektronenspender nutzen. Oder das UV-Licht der Sonne. Eine Eisenerzschicht steht deshalb nicht automatisch für eine sauerstoffhaltige Atmosphäre. Wer das Eisen auch oxidiert hat, heute ist es überall um uns herum: Ein großer Teil des Erzes, aus dem Stahl gewonnen wird, besteht aus ebenjenem Eisen, das vor mehr als zwei Milliarden Jahren aus dem Meer ausfiel.

Paläoböden, also alte, zwischen Gesteinsschichten begrabene Böden, liefern eine andere Unterscheidung. Bei Verwitterung ohne Sauerstoff wird Eisen leicht mit dem Wasser fortgetragen. Bei Verwitterung mit Sauerstoff bleibt es als Rost im Boden zurück. So entstehen auch die ziegelroten Böden, die man heute im Süden Chinas sieht.

Ob Eisen aus einem Paläobodenprofil verschwunden oder darin geblieben ist, kann deshalb etwas über die damalige Atmosphäre verraten. Böden aus der Zeit vor ungefähr 2,44 Milliarden Jahren haben ihr Eisen überwiegend verloren. Daraus ergibt sich rechnerisch für den Sauerstoff der damaligen Atmosphäre eine Menge von wohl weniger als 2,4 Tausendsteln des heutigen Werts. Diese Umrechnung braucht ein Modell und damit Annahmen über Niederschlag, Entwässerung, Temperatur und die Dauer der Bodenbildung.

Hinzu kommen einige Metalle, Chrom, Molybdän, Uran und Selen, die jeweils auf unterschiedliche Seiten der Oxidation ansprechen. Die einen zeigen Verwitterung an Land an, andere die Ausdehnung sauerstoffarmer Bereiche am Meeresboden, wieder andere eine örtlich begrenzte Oxidation. Ihre Aussagen stimmen nicht immer überein. Das ist nicht überraschend, denn sie messen von vornherein nicht dasselbe. Zeigt für dieselbe Zeit der eine Indikator ein Signal und der andere keines, kann das einen wirklichen räumlichen Unterschied widerspiegeln. Es muss nicht heißen, dass einer von beiden falschliegt.

III Wie der Sauerstoff hereinkam

Vor 2,4 Milliarden Jahren lebten auf der Erde ausschließlich Mikroorganismen. Die Kontinente waren kahl, im Meer gab es kein einziges Tier. Unter denen, die aus den Bruchstücken dieser Geschichte einen Umriss zusammensetzten, hatte der amerikanische Geologe Cloud den größten Einfluss. In den 1960er- und 1970er-Jahren fiel ihm auf, dass gebänderte Eisenformationen meist älter als zwei Milliarden Jahre sind, die roten Schichten an Land dagegen meist jünger. Daraus entstand seine These: Die Atmosphäre war einmal von einem sauerstofffreien in einen sauerstoffhaltigen Zustand übergegangen.

Der Sauerstoff kam weder an einem einzigen Tag in die Atmosphäre noch in einem einzigen Anlauf. Erzählt man der Reihe nach, was sich heute vom Ablauf zusammensetzen lässt, ergibt sich ungefähr dieses Bild.

Zuerst lernten Cyanobakterien, Wasser zu zerlegen. Schon der Zeitpunkt dieses Schritts ist umstritten. Manche rechnen anhand von Genen zurück und kommen auf drei Milliarden Jahre oder noch früher. Andere verweisen darauf, dass einige der engsten Verwandten der Cyanobakterien bis heute kein einziges photosynthetisches Mitglied aufweisen. Eine dieser Gruppen wurde 2013 im menschlichen Darm und im Grundwasser gefunden. Vielleicht wurde die Fähigkeit zur Wasserspaltung erst später vollständig zusammengesetzt.

Es gibt tatsächlich Spuren von Sauerstoff in Gesteinen, die älter sind als die Große Oxidation. In Westaustralien liegt eine rund 2,5 Milliarden Jahre alte Folge schwarzer Schiefer. 2004 ließ ein von der amerikanischen Raumfahrtbehörde finanziertes Projekt dort bohren und frische Bohrkerne gewinnen. 2007 wurden darin Anreicherungen von Molybdän und Rhenium gemessen.

Diese beiden Metalle müssen erst mithilfe von Sauerstoff aus den Gesteinen an Land „herausgewaschen“ werden, bevor sie ins Meer gelangen können. Einige Jahre später fand man in derselben Schichtenfolge auch auffällige Selenwerte. Allerdings hieß es schon in dieser Untersuchung, der Sauerstoff könne nur örtlich an Land entstanden sein und müsse noch nicht in die globale Atmosphäre gelangt sein. Als noch älterer Kandidat gilt eine etwa 2,66 Milliarden Jahre alte Schichtenfolge.

Doch auch diese „Hauche von Sauerstoff“ sind umstritten. 2022 untersuchte man die Schiefer mit feineren, räumlich hoch auflösenden Analysen erneut. Demnach könnte das Molybdän aus Vulkanasche stammen; die Signale könnten auch erst entstanden sein, als das Gestein tief begraben und erhitzt oder sehr viel später oxidiert wurde. Die Autoren der ursprünglichen Arbeiten erwiderten, solche späteren Einwirkungen könnten nicht alle Signale erklären. Der Streit geht weiter.

Selbst wenn Cyanobakterien schon früh Sauerstoff erzeugten, musste er deshalb nicht sofort in der Atmosphäre auftauchen. Es ist ein bisschen, als gösse man Wasser in einen Eimer mit Löchern im Boden: Reduzierende Gase aus Vulkanen, gelöstes Eisen im Meer und Sulfide im Gestein verzehrten fortwährend den frisch erzeugten Sauerstoff.

Erst wenn die Erzeugung über lange Zeit schneller war als das Versickern durch diese Löcher, konnte sich Sauerstoff ansammeln. In flachem Wasser mit dichten Beständen von Cyanobakterien mag er schon früh fleckenweise aufgetaucht sein. Die Forschung nennt solche Orte Sauerstoffoasen. Jenseits der Oasen blieb die Welt jedoch sauerstofffrei.

Und die Anreicherung verlief nicht gleichmäßig. Ein Atmosphärenmodell von 2006 zeigte: Liegt der Sauerstoffgehalt unter ungefähr einem Hunderttausendstel des heutigen Werts, kann die Atmosphäre dauerhaft stabil im sauerstoffarmen Zustand verharren.

Ein wenig mehr genügt jedoch, um etwas Ozon zu bilden. Das Ozon hält UV-Licht ab. Dadurch werden jene Reaktionen in der Atmosphäre langsamer, die mit UV-Energie Sauerstoff zum Verbrennen von Methan einsetzen. Sauerstoff bleibt plötzlich viel länger erhalten, und die gesamte Atmosphäre springt auf die sauerstoffreiche Seite. Die Produktion kann also lange steigen, während sich in der Atmosphäre kaum etwas rührt. Dann kippt sie auf einmal um.

Warum die Löcher im Eimer später kleiner wurden, dafür gibt es mehrere Erklärungen. Eine schaut auf die Vulkane: Anfangs brachen mehr von ihnen unter Wasser aus und setzten stärker reduzierende Gase frei. Später gab es mehr Vulkane an Land, und die Menge der sauerstoffzehrenden Gase ging zurück.

Eine andere schaut auf Nickel. Der Erdmantel kühlte langsam ab, immer weniger nickelreiches Magma trat aus, und auch im Meer wurde Nickel knapper. Die Enzyme, mit denen methanbildende Archaeen Methan herstellen, kommen ohne Nickel nicht aus. Wird Nickel knapp, verliert damit auch einer der großen Sauerstoffzehrer, das Methan, an Gewicht. Ebenso könnten Nährstoffe die Geschwindigkeit der Sauerstoffproduktion begrenzt haben. Diese Erklärungen schließen einander nicht aus. Umstritten ist, welche den Zeitpunkt des Umschlagens bestimmte.

Der eigentliche Umschlag geschah vor ungefähr 2,4 bis 2,3 Milliarden Jahren. Bohrkerne aus drei südafrikanischen Bohrungen, die dieselbe Zeit erfassen, datieren das Verschwinden des Schwefelsignals auf etwa 2,33 Milliarden Jahre. Und es verschwand rasch: womöglich innerhalb von nur einer bis zehn Millionen Jahren.

Andere Untersuchungen setzen den ersten Wandel früher an, bei ungefähr 2,43 Milliarden Jahren. Hundert Millionen Jahre liegen zwischen den Datierungen. Ein Teil der Differenz könnte daher rühren, dass verschiedene Arbeiten unterschiedliche Stadien des Geschehens messen. Ein anderer Teil liegt an fortbestehenden Meinungsverschiedenheiten darüber, wie die Gesteinsschichten verschiedener Gegenden zu datieren und einander zuzuordnen sind.

Wie kommt man überhaupt an solche Jahreszahlen? Zwischen Gesteinsschichten liegen häufig dünne Lagen Vulkanasche. Darin sitzen kleine Kristalle namens Zirkon. Beim Kristallisieren nimmt Zirkon etwas Uran auf, aber fast kein Blei. Uran wiederum verwandelt sich mit einer feststehenden Rate in Blei. Misst man im Kristall das Verhältnis von Blei zu Uran, erfährt man, wie lange seine Kristallisation zurückliegt. Gute Messungen haben nur ein bis zwei Millionen Jahre Unsicherheit.

Auch nach dem Umschlag war der neue Zustand nicht sofort gesichert. 2021 berichteten Poulton von der britischen Universität Leeds und Kollegen, die Atmosphäre sei nach dem ersten Überschreiten der Schwelle vor rund 2,4 Milliarden Jahren mehrmals wieder in einen sauerstoffarmen Zustand zurückgefallen. Etwa zweihundert Millionen Jahre ging es hin und her. Erst vor ungefähr 2,22 Milliarden Jahren blieb sie dauerhaft auf der anderen Seite.

In dieser Zeit erlebte die Erde auch mehrere Eiszeiten. Alte Gesteinsschichten am Nordufer des kanadischen Huronsees bewahren mindestens drei Lagen von Gletscherschutt.

Solche Hinweise auf Gletscher sind gut zu erkennen: Mitten in feinen Schlammlagen steckt plötzlich ein großer Stein. Die gängigste Erklärung lautet, dass schwimmendes Eis schmolz und ihn fallen ließ. Diese Lagen von Gletscherablagerungen stammen aus der Zeit zwischen etwa 2,45 und 2,22 Milliarden Jahren vor heute.

Die Ablagerungen einer südafrikanischen Vereisung könnten nahe am damaligen Äquator entstanden sein. Dringt Eis bis zum Äquator vor, ist beinahe der ganze Planet zu einem Schneeball gefroren. Geologen nennen diesen Zustand Schneeball Erde.

Schon um das Jahr 2000 verbanden Forscher diese Vorgänge zu einer Kette. Die frühe Atmosphäre enthielt viel Methan. Molekül für Molekül hält Methan Wärme wesentlich wirksamer zurück als Kohlendioxid.

Der von Cyanobakterien erzeugte Sauerstoff zerstörte das Methan. Der Treibhauseffekt wurde schwächer, und die Erde kühlte ab. 2005 spitzte eine weitere Hypothese das zu: Cyanobakterien hätten überhaupt erst zu dieser Zeit die Sauerstoffproduktion erlernt und den Planeten gleich mit dem Einsetzen dieser Produktion in den Schneeballzustand gestoßen. Nur gibt es keine Eisbohrkerne, an denen man Methan von vor 2,4 Milliarden Jahren direkt messen könnte. Seine damalige Menge lässt sich ausschließlich mit Modellen erschließen.

Auch die zeitliche Abfolge wurde in den letzten Jahren überarbeitet. Eine Untersuchung von 2020 kam zu dem Ergebnis, verlässliche Oxidationssignale lägen vor der entscheidenden Vereisung. Zeitlich ließ sich die Kette damit schließen. Doch eine stimmige Reihenfolge ist noch kein bewiesener Ursache-Wirkungs-Zusammenhang.

Nachdem sich der Sauerstoff dauerhaft etabliert hatte, schoss er einmal über das Ziel hinaus. Vor etwa 2,22 bis 2,06 Milliarden Jahren wurde der Kohlenstoff in Karbonatgesteinen auf der ganzen Welt „schwerer“. Es war die stärkste und am längsten anhaltende Verschiebung dieser Art in der Erdgeschichte.

Eine Erklärung lautet: Riesige Mengen organischen Materials wurden begraben und nahmen den leichten Kohlenstoff mit in den Untergrund. Der schwere blieb im Meer zurück, und gleichzeitig blieb überschüssiger Sauerstoff übrig. Daraus entstand die Vermutung, der Sauerstoffgehalt sei in jener Zeit vorübergehend viel höher gewesen als danach.

Dann kam der Rückgang. Das begrabene organische Material gelangte später wieder nach oben, wurde oxidiert und verzehrte den Sauerstoffüberschuss. Eine Studie von 2019 errechnete anhand eines etwa 2,018 Milliarden Jahre alten Sulfatminerals, dass nach dem Ende dieses Überschießens die globale photosynthetische Produktion um mehr als achtzig Prozent zurückgegangen sein könnte.

Über mehr als eine Milliarde Jahre blieb der Sauerstoff danach auf niedrigem Niveau. Manche schließen aus Chromisotopen, der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre habe möglicherweise noch unter einem Tausendstel des heutigen Werts gelegen. Andere setzen ihn bei ungefähr einem Prozent des heutigen Werts an.

In dieser Zeit veränderte sich auf der Erde verblüffend wenig. Geologen nennen sie deshalb kurzerhand die „langweilige Milliarde“. Ob sie wirklich so langweilig war, wird Teil sieben eigens untersuchen. Die eukaryotischen Zellen, um die es in Teil fünf geht, fassten genau in dieser Zeit dauerhaft Fuß.

IV Warum Sauerstoff giftig ist

Was richtete der Sauerstoff unter den damaligen Lebewesen an? Beginnen wir mit etwas Alltäglichem. Gibt man Wasserstoffperoxidlösung auf eine Wunde, entsteht weißer Schaum. Ein Enzym in der Wunde zerlegt das Wasserstoffperoxid in rasendem Tempo in Wasser und Sauerstoff. Wasserstoffperoxid hat gegenüber Wasser ein zusätzliches Sauerstoffatom. Der Körper hält dieses Enzym bereit, weil Wasserstoffperoxid als Nebenprodukt des Sauerstoffs anfällt und Zellen schädigt, wenn es nicht beseitigt wird.

Sauerstoff selbst reagiert eigentlich nicht besonders bereitwillig direkt mit organischen Molekülen. Die Schwierigkeiten beginnen mit den Stoffen, die entstehen, wenn ihm schrittweise Elektronen hinzugefügt werden: Superoxid, Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale. Zusammen nennt man sie reaktive Sauerstoffspezies.

An der Atmungskette und an vielen Enzymen entstehen die ersten beiden fortwährend, sobald Elektronen aus dem vorgesehenen Weg entweichen. Auch Strahlung schädigt Menschen zu einem erheblichen Teil dadurch, dass sie zunächst aus dem Wasser in den Zellen solche Stoffe erzeugt.

Ihre Zerstörungskraft lässt sich bis auf einzelne Angriffspunkte verfolgen. Superoxid greift besonders gern jene kleinen Bauteile in Enzymen an, die aus Eisen und Schwefel bestehen. Wird das Enzym beschädigt, wird das darin gebundene Eisen freigesetzt.

Trifft Wasserstoffperoxid auf freies Eisen, können daraus die extrem reaktionsfreudigen Hydroxylradikale entstehen. Sie greifen DNA, Proteine und Membranen praktisch dort an, wo sie gerade entstanden sind. Schutz heißt deshalb nicht ausweichen, sondern abfangen: Superoxid und Wasserstoffperoxid müssen rechtzeitig beseitigt werden, damit die noch gefährlicheren Hydroxylradikale möglichst gar nicht erst entstehen.

Heutige Zellen besitzen ein ganzes Arsenal zum Abfangen. Ein Enzym verwandelt Superoxid in Wasserstoffperoxid, ein anderes zerlegt Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Das ist das Enzym, das auf der Wunde die Bläschen erzeugt. Dazu kommen Einrichtungen, die DNA reparieren und Eisen wegsperren. Dass im menschlichen Blut fast alles Eisen von Proteinen fest umklammert wird und nur sehr wenig frei umherschwimmen darf, hat genau diesen Grund.

Von dem Enzym, das Superoxid in Wasserstoffperoxid verwandelt, gibt es mindestens drei nicht miteinander verwandte Familien. Eisen- und manganhaltige Formen bilden eine Familie, kupfer- und zinkhaltige eine zweite, nickelhaltige eine dritte. Verschiedene Abstammungslinien haben für dasselbe Problem eigene Lösungen gefunden. Wie empfindlich Lebewesen auf Sauerstoff reagieren, unterscheidet sich auch deshalb so stark, weil ihre Schutzapparate und ihre Membranen unterschiedlich zusammengesetzt sind.

Interessant ist, dass ein Teil dieser Grundausstattung bereits existierte, bevor Sauerstoff häufig wurde. Einer Analyse von 2021 zufolge reicht die Geschichte der meisten solchen Enzyme bei Cyanobakterien weiter zurück als die Große Oxidation. Zwei andere Enzyme zum Abbau von Wasserstoffperoxid sowie die nickelhaltige Form kamen demnach erst vor ungefähr 2,5 bis 2,3 Milliarden Jahren hinzu. Das ist schlüssig: Schon vor der Großen Oxidation gab es örtlich Sauerstoff aus Cyanobakterien. Das UV-Licht der Sonne kann zudem kleine Mengen Wasserstoffperoxid in Luft und Wasser erzeugen, und selbst ein Stoffwechsel ohne Sauerstoff kann oxidativen Stress verursachen.

Aus dem Gift wurde später auch ein Brennstoff. Einige Mikroorganismen lernten, die Sache umzudrehen und den Sauerstoff zu nutzen: Sie reichten die Elektronen, die sie aus ihrer Nahrung gewonnen hatten, am Ende an ihn weiter. Sauerstoff reißt Elektronen mit enormer Kraft an sich. Die Fallhöhe der Elektronen ist dabei besonders groß, und entsprechend viel Energie lässt sich speichern.

Das ist aerobe Atmung, Atmung mit Sauerstoff. Unter den Enzymen, die heute dafür zuständig sind, gibt es eine große Familie. Aus ihrer Verteilung schließen manche Forscher, ihre frühesten Mitglieder könnten älter sein als die Große Oxidation. In Sauerstoffoasen könnten sie schon damals nützlich gewesen sein.

Doch auch für uns ist Sauerstoff nicht nur etwas Gutes. In den 1940er- und 1950er-Jahren leitete man in Krankenhäusern hoch konzentrierten Sauerstoff in die Brutkästen von Frühgeborenen. Später stellte sich heraus, dass dadurch viele Kinder erblindet waren. Taucher, die mit einem hohen Sauerstoffanteil im Atemgas zu tief tauchen, können durch den Sauerstoff selbst Krampfanfälle erleiden.

Manche Lebewesen vertragen Sauerstoff überhaupt nicht. 1861 untersuchte der Franzose Pasteur die Buttersäuregärung. Buttersäure verursacht den säuerlich-ranzigen Geruch verdorbener Butter. Dabei entdeckte er, dass der Mikroorganismus, der die Arbeit verrichtete, beim Einleiten von Luft starb. Zwei Jahre später prägte er für diese Lebensweise einen Begriff, der wörtlich „Leben ohne Luft“ bedeutet. Daher stammt das Wort anaerob.

Weit weg sind solche Organismen auch heute nicht. Das Tetanusbakterium ist ein Anaerobier. Seine Sporen stecken im Erdboden; besonders gut kann es sich in tiefen, engen Wunden oder in Wunden mit abgestorbenem Gewebe vermehren.

Eine tiefe Nagelverletzung sollte rasch ärztlich versorgt werden; ob eine Impfung oder Immunglobulin nötig ist, hängt von der Wunde und den bisherigen Impfungen ab. Rost selbst ist nicht die Ursache. Verunreinigungen und sauerstoffarme Bedingungen tief in der Wunde machen solche Verletzungen besonders bedenklich. Auch das Botulismusbakterium verträgt keinen Sauerstoff. Probleme gibt es vor allem bei selbst eingemachten Konserven, eingelegtem Gemüse und fermentierten Lebensmitteln: Der Behälter ist dicht, innen fehlt Sauerstoff, und wurden die Lebensmittel nicht ausreichend erhitzt oder richtig eingelegt, überleben die Sporen. Um solche Bakterien im Labor zu züchten, braucht man eine besondere Anaerobenkammer. Sie ist mit Stickstoff und etwas Wasserstoff gefüllt; gearbeitet wird darin durch fest eingebaute Gummihandschuhe.

Für diese strikt anaeroben Lebewesen bedeutete Sauerstoff an der Erdoberfläche und im flachen Wasser ein neues Gift unmittelbar vor der Haustür. Ihr Lebensraum musste schrumpfen. Einige Abstammungslinien verschwanden dabei sehr wahrscheinlich ganz.

Wie viele es waren, lässt sich jedoch nicht berechnen. Häufig ist von der „Sauerstoffkatastrophe“ die Rede, manchmal sogar davon, über neunzig Prozent allen Lebens seien dabei ausgestorben. Diese Vorstellung geht zum Teil auf ein sehr bekanntes populärwissenschaftliches Buch zurück. In dem Buch, das Margulis 1986 gemeinsam mit ihrem Sohn Sagan schrieb, trägt ein Kapitel den Titel „Sauerstoff-Holocaust“.

Solche Zahlen haben keine Datengrundlage. Eine Aussterberate braucht einen Nenner: Zuerst müsste man wissen, wie viele Arten es vorher überhaupt gab. Fossile Mikroorganismen aus jener Zeit sind aber oft nur winzige Kügelchen. Ob sie zu einer Art oder zu zehn gehören, ist nicht zu erkennen. Bei den mehr als drei Milliarden Jahre alten Mikrofossilien aus Teil eins verhält es sich genauso. Solange nicht einmal feststeht, was „eines“ ist, ist dieses Verhältnis nicht bloß ungenau gemessen. Es ist undefiniert.

Auch der Rückgang der photosynthetischen Produktion um achtzig Prozent aus Abschnitt drei lässt sich nicht einfach in ein Aussterben von achtzig Prozent der Arten umrechnen. Wenn in einem Wald achtzig Prozent weniger Blätter wachsen, heißt das nicht, dass achtzig Prozent der Bäume gestorben sind. Und erst recht nicht, dass achtzig Prozent der Baumarten verschwunden sind.

V Wo die anaerobe Biosphäre lebt

Man muss sich in Erinnerung rufen: Vor der Großen Oxidation war alles Leben auf der Erde in einer Welt ohne Sauerstoff entstanden. Die heutigen anaeroben Mikroorganismen führen noch immer das Leben ihrer Vorfahren.

Die anaerobe Biosphäre ist nicht verschwunden. Sie existiert überall dort, wo Sauerstoff langsamer nachgeliefert als verbraucht wird.

Das nächste Beispiel liegt unter unseren Füßen. Gräbt man am Meer oder an einem Teich im Schlamm, ist er an der Oberfläche häufig braun. Nur wenige Zentimeter tiefer wird er schwarz und stinkt. Dort beginnt das Reich der anaeroben Mikroorganismen.

Beim Abbau organischen Materials im Sediment wird der eindiffundierende Sauerstoff schnell verbraucht. Darunter kommen nacheinander Mikroorganismen zum Zug, die mit Nitrat, Metallen oder Sulfat „atmen“. Ganz unten leben die methanbildenden Archaeen. Im gesamten Stammbaum des Lebens leben nur Archaeen davon, Methan zu erzeugen. Ihre Enzymausstattung wird durch Sauerstoff beschädigt. Andere Lebewesen können nebenbei ebenfalls etwas Methan freisetzen, allerdings in viel kleineren Mengen.

Der Geruch nach faulen Eiern stammt vom Schwefelwasserstoff, den Bakterien bei der Sulfatatmung ausscheiden. Schwarz wird der Schlamm, weil sich Schwefelwasserstoff mit Eisen zu schwarzem Eisensulfid verbindet.

Ein weiterer riesiger sauerstofffreier Lebensraum liegt tief unter den Kontinenten: in Gesteinsklüften, Grundwasserleitern und den Poren von Sedimentbecken. 2018 errechnete man anhand weltweiter Daten zu Erdwärme, Temperatur, Gesteinsarten und gemessenen Zellkonzentrationen, dass unter den Kontinenten bis in etwa fünf Kilometer Tiefe ungefähr (2 bis 6) × 10²⁹ Zellen leben.

2008 entdeckte man im Kluftwasser einer südafrikanischen Goldmine, etwa 2.800 Meter unter Tage, eine Gemeinschaft, die fast nur aus einer einzigen Bakterienart bestand. Sie trug ein vollständiges Ökosystem ganz allein. Die Bakterien leben von Wasserstoff, der entsteht, wenn die Radioaktivität des Gesteins Wasser zerlegt. Sie brauchen weder Sonnenlicht noch andere Lebewesen.

Für ihren Namen liehen sich die Forscher eine lateinische Wendung aus einem Roman von Jules Verne: „kühner Reisender“. Die meisten Zellen im Untergrund leben extrem langsam. Nach manchen Schätzungen teilt sich dort eine Zelle nur alle paar hundert, mitunter erst alle tausend Jahre oder noch seltener. Im Schlamm Hunderte Meter unter dem Meeresboden liegt organisches Material, das vor Millionen Jahren abgesunken ist. Die dortigen Zellen leben von diesen alten Vorräten.

Auch der Verdauungstrakt von Tieren bietet dauerhaft sauerstoffarme Lebensräume. Im Pansen von Rindern und Schafen, bei der Kuh dem größten ihrer vier Mägen, und im Dickdarm vieler Tiere verbrauchen Mikroorganismen den eintretenden Sauerstoff. Dort wimmelt es von strikt anaeroben Bakterien und methanbildenden Archaeen.

Von ihnen stammt das Methan, das eine Kuh aufstößt. Ein einziges Tier kann auf diese Weise fast hundert Kilogramm im Jahr abgeben. Auch im menschlichen Dickdarm sind die meisten Bakterien Anaerobier. Ihre Zahl liegt ungefähr in derselben Größenordnung wie die Zahl der körpereigenen Zellen.

Dauerhaft geschichtete Gewässer können riesige sauerstofffreie Wassermassen bewahren. Das Schwarze Meer ist das größte sauerstofffreie Gewässer der Welt. Unterhalb von ein- bis zweihundert Metern enthält sein Wasser keinen Sauerstoff, dafür reichlich Schwefelwasserstoff.

2017 fand ein archäologisches Projekt dort mithilfe eines ferngesteuerten Tauchgeräts am Meeresgrund ein etwa 2.400 Jahre altes griechisches Handelsschiff. Der Fund wurde im folgenden Jahr bekannt gegeben. Mast und Ruder waren noch vorhanden. Das Schiff liegt in mehr als zweitausend Metern Tiefe.

Der Sauerstoff der Atmosphäre hat diese Gegend nicht etwa nie erreicht. Vielmehr verhindert die Schichtung des Wassers, dass so viel Sauerstoff nachgeliefert wird, wie der Abbau organischen Materials verbraucht. In Seen ist es ähnlich: Stirbt eine sommerliche Wasserblüte ab, kann ihr Abbau den gesamten Sauerstoff im Wasser aufzehren. Der See stinkt, Fische sterben massenhaft. Sauerstoffproduzenten können also auch einen ganzen See in sauerstoffarmes Wasser verwandeln.

Auch hydrothermale Systeme sind nicht durchgehend sauerstoffhaltig oder durchgehend sauerstofffrei. Heiße, reduzierende Hydrothermalflüssigkeit mischt sich in unterschiedlichem Maß mit Meerwasser; dabei entstehen starke Gradienten. In den sauerstoffarmen Bereichen leben Mikroorganismen, die Methan bilden, Sulfat reduzieren oder Wasserstoff nutzen. Eine methanbildende Archae aus einer Hydrothermalquelle kann sich selbst bei 122 Grad Celsius noch vermehren. Sie gehört zu den hitzebeständigsten bekannten Lebensformen.

Wie groß ist diese Biosphäre? Die Antwort wurde innerhalb von zwanzig Jahren mehrmals korrigiert. 1998 legten der amerikanische Mikrobiologe Whitman und Kollegen eine klassische Schätzung vor: Weltweit gebe es ungefähr (4 bis 6) × 10³⁰ prokaryotische Zellen, sehr viele davon unter dem Meeresboden. Daraus entstand die jahrelang verbreitete Vorstellung, die Mikroorganismen unter der Erde könnten ungefähr so viel wiegen wie die Pflanzen darüber.

2012 bündelte eine neue Berechnung Messdaten von mehr als fünfzig Tiefseebohrstellen. Der Posten unter dem Meeresboden schrumpfte dadurch um über neunzig Prozent. Das lag nicht an neuen Instrumenten. Die Proben erfassten nun auch die zentralen Ozeanregionen, weit vom Land entfernt, in denen es extrem wenige Zellen gibt.

Die Untersuchung von 2018 zum kontinentalen Untergrund berechnete nebenbei auch die weltweite Masse der Prokaryoten neu. Sie kam auf nur etwa 23 bis 31 Milliarden Tonnen Kohlenstoff, ein Viertel bis ein Zehntel früherer Schätzungen und lediglich dreißig bis vierzig Prozent der Zahlen, die in Abschnitt acht folgen. Vermutlich lebt der größte Teil aller Bakterien und Archaeen im Untergrund. Zugleich ist gerade dieser Posten mit der größten Unsicherheit behaftet: Ausgerechnet der Lebensraum mit dem größten Volumen lässt sich am schwersten beproben.

Strikt anaerober Stoffwechsel läuft bis heute im Maßstab des ganzen Planeten. Unter den vom Menschen ausgestoßenen Treibhausgasen ist Methan in seiner Wirkung nach Kohlendioxid das zweitwichtigste. Insgesamt gelangen heute weltweit jährlich mehr als sechshundert Millionen Tonnen Methan in die Atmosphäre.

Natürliche Feuchtgebiete liefern etwa 160 Millionen Tonnen, Wiederkäuer wie Rinder und Schafe samt ihren Ausscheidungen mehr als 110 Millionen, Reisfelder mehr als dreißig Millionen. Reisfelder stehen unter Wasser, im Schlamm fehlt Sauerstoff, und rund um die Reiswurzeln sind methanbildende Archaeen bei der Arbeit. Gängigen Schätzungen zufolge stammen ungefähr siebzig Prozent dieses Methans von Mikroorganismen, vor allem von methanbildenden Archaeen.

Auch das Methan im „brennbaren Eis“ am Meeresboden wurde überwiegend von Archaeen im Schlamm erzeugt. Umgekehrt gibt es dort eine Gruppe von Archaeen, die sich auf den Verbrauch von Methan spezialisiert hat. Gemeinsam mit Bakterien fängt sie im sauerstofffreien Schlamm den größten Teil des aufsteigenden Methans ab, bevor es in die Atmosphäre entweichen kann.

VI Ein Abfallstoff und eine Liste von Mineralen

Was tat der Sauerstoff mit diesem Planeten? Man könnte sagen: Bei jenem Ereignis setzte die gesamte Erdoberfläche einmal Rost an. Eine der überraschendsten Antworten findet sich bei den Mineralen.

Das leuchtende Grün des Malachits, das Blau des Azurits: Solche farbigen Kupfererze entstehen erst, nachdem Kupfer oxidiert wurde. Ohne Sauerstoff in der Luft gäbe es sie auf der Erde nicht. Die mineralischen Blaupigmente und Grünpigmente der chinesischen Malerei, Shiqing und Shilü, bestehen aus diesen beiden gemahlenen Erzen. Viel Blau auf den Wandmalereien von Dunhuang stammt aus Azurit; für Grün wurde dort am häufigsten Atacamit verwendet. Auch dieses Mineral wächst erst nach der Oxidation von Kupfer.

Die Freiheitsstatue ist mit Kupferblech verkleidet. Als sie aufgestellt wurde, war sie kupferfarben. In der New Yorker Luft wurde sie innerhalb von gut zwanzig Jahren grün. Diese grüne Schicht besteht hauptsächlich aus neuen Mineralen, die das Kupfer gemeinsam mit Sauerstoff, Wasser, Schwefel aus der Luft und Chlor aus der Meeresbrise gebildet hat.

2008 weitete das Team des amerikanischen Mineralogen Hazen diesen Gedanken auf den ganzen Planeten aus und führte den Begriff „Mineralevolution“ ein. Beim ersten Hören klingt er wie ein Scherz. Minerale pflanzen sich schließlich nicht fort. Wie sollen sie da evolvieren?

Gemeint ist: Die Zahl der Mineralarten nimmt im Lauf der Erdgeschichte schrittweise zu. Als die Erde gerade entstanden war, konnten sich viel weniger Arten bilden. Erst nachdem das Leben die Oberfläche oxidiert hatte, gingen Elemente wie Eisen, Kupfer, Uran und Mangan in großen Mengen in höhere Oxidationsstufen über und verbanden sich mit anderen Elementen zu neuen Kristallen.

Hier geht es nicht darum, dass Lebewesen selbst Kristalle wachsen lassen, wie bei Schalen, Knochen und Zähnen. Vielmehr verändert das Leben die Umgebung, und die Minerale wachsen dann von allein. Hazen und Kollegen schätzten, dass ein so trockener Himmelskörper wie der Mond höchstens ungefähr 350 Mineralarten hervorbringen kann. Auf der Erde kennt man dagegen mehr als sechstausend. Der gewaltige Unterschied hat mit Wasser und Plattentektonik zu tun, aber auch mit dem Leben.

Damals schätzten sie, mehr als zwei Drittel der bekannten Minerale seien unmittelbar oder mittelbar ein Ergebnis davon, dass das Leben die Erdoberfläche umgebaut hat. Der größte einzelne Beitrag sei diese Oxidation gewesen. In einem Artikel für ein breites Publikum schrieb Hazen 2010, die Oxidation vor mehr als zwei Milliarden Jahren habe über 2.500 neue Minerale chemisch möglich gemacht. Viele davon seien Produkte der Gesteinsverwitterung.

Später rechnete das Team selbst genauer nach. Mit der erweiterten Datenbank versahen die Forscher jede Mineralart mit sämtlichen bekannten Entstehungswegen. Das Ergebnis: Rund 2.700 Minerale, also beinahe die Hälfte, können durch Prozesse entstehen, an denen Leben beteiligt ist. Zwangsläufig auf Leben angewiesen sind dagegen nur ungefähr 1.900 Arten, etwa ein Drittel aller Minerale.

Bei ungefähr achtzig Prozent der Minerale ist außerdem Wasser an der Entstehung beteiligt. Innerhalb von gut einem Jahrzehnt hatte dasselbe Team aus einer kühnen Behauptung drei präzisere Fragen gemacht. Auch die Mineralliste selbst wächst weiter: rund 4.300 Arten im Jahr 2008, über 5.800 im Jahr 2022, inzwischen mehr als sechstausend.

Die Oxidation veränderte auch, was die Kontinente ins Meer schickten. Sulfide im Gestein wurden oxidiert und flossen als Sulfat ins Meer. Dort sammelte sich immer mehr Sulfat an.

Dieses wachsende Sulfatreservoir verdünnte wiederum das „regelwidrige“ Schwefelsignal aus Abschnitt zwei. Genau so kam der zweite Mechanismus seines Verschwindens zustande. Der Sauerstoff verwischte selbst die Beweise für seinen Eintritt. Ausgerechnet das, was die Große Oxidation hinterlassen hatte, machte es schwerer, die Frage nach ihrem Zeitpunkt zu beantworten.

Auch Metalle wie Uran und Chrom wechselten ihre Oxidationsstufe, wurden wasserlöslich und ließen sich von Flüssen forttragen. Eine verblüffende Folge zeigte sich 1972: Franzosen entdeckten in der Uranlagerstätte Oklo im afrikanischen Gabun einen ungewöhnlich geringen Anteil der spaltbaren Uranvariante.

Weitere Untersuchungen ergaben, dass diese Lagerstätte vor etwa zwei Milliarden Jahren unter der Erde ganz von selbst Kernspaltung betrieben hatte. Mit Unterbrechungen hatte sie Hunderttausende Jahre lang gebrannt. Eine Voraussetzung dafür war, dass sauerstoffhaltiges Wasser das Uran zuvor gelöst, transportiert und an einer Stelle wieder angereichert hatte. Ohne die Große Oxidation hätte es diesen natürlichen Kernreaktor nicht gegeben. Bis heute ist es der einzige bekannte Ort dieser Art.

Sauerstoff schickt jedoch nicht nur Stoffe ins Meer. Frisch gebildeter Rost bindet Phosphor sehr stark an seiner Oberfläche und fängt ihn damit wieder ein. Phosphor ist sowohl für das Erbmaterial als auch für die Energiewährung unentbehrlich. Wird er im Meer knapp, gerät die Photosynthese ins Stocken.

Auch Ozon in großer Höhe begann sich damals zu bilden. Würde man die heutige Ozonschicht auf den Luftdruck am Boden zusammendrücken, wäre sie nur ungefähr drei Millimeter dick. Sie hält genau den Teil der UV-Strahlung ab, der DNA am stärksten schädigt. Ozon entsteht aus Sauerstoff unter Sonnenlicht. Ein wenig Sauerstoff kann deshalb schon ein wenig Ozon hervorbringen, genug, um die Chemie der Atmosphäre zu verändern.

Um jedoch so viel UV-Strahlung abzuhalten, dass Leben sich auf der Landoberfläche in die Sonne wagen kann, braucht es ungefähr tausendmal mehr Sauerstoff, etwa ein Prozent des heutigen Werts. Ein neues Modell von 2022 legt außerdem nahe, dass die Ozonschicht bei wenig Sauerstoff noch dünner gewesen sein könnte, als ältere Modelle errechneten.

Die Atmosphäre hatte nun Sauerstoff, doch die Tiefsee ließ lange auf sich warten. Über mehr als eine Milliarde Jahre war das Meer ein Schichtkuchen: oben Sauerstoff, darunter keiner. 1998 stellte ein Forscher die These auf, große Bereiche der damaligen Tiefsee hätten gestunken und seien voller Schwefelwasserstoff gewesen. Einer seiner Gründe war, dass die Ablagerung gebänderter Eisenformationen vor ungefähr 1,85 Milliarden Jahren weitgehend aufhörte. Es sah aus, als hätte plötzlich etwas das Eisen aus dem Meer eingesammelt. Und Schwefelwasserstoff kann Eisen ausfällen.

Spätere Untersuchungen zeigten, dass tatsächlich größere Teile des Tiefenwassers reich an gelöstem Eisen waren. Die stinkenden Bereiche lagen vor allem in produktiven küstennahen Gewässern und Randmeeren. Eine sauerstoffhaltige Atmosphäre und eine sauerstofffreie Tiefsee bestanden sehr lange nebeneinander. Das heutige Schwarze Meer ist eine kleine Kostprobe eines solchen Ozeans.

VII Drei Behauptungen von unterschiedlicher Stärke

Ein Satz ist ungeheuer weit verbreitet: Sauerstoff machte komplexes Leben möglich. In diesem einen Satz stecken tatsächlich drei unterschiedlich starke Behauptungen.

Sehen wir uns zuerst die Energiebilanz an. Gärung ist ein Weg, Energie ohne einen äußeren Elektronenakzeptor zu gewinnen. Bei der typischen Glykolyse mit anschließender Milchsäure- oder alkoholischer Gärung bringt ein Glucosemolekül netto zwei Moleküle der Energiewährung ein.

Für die vollständige Oxidation mit Sauerstoff nennen heutige Lehrbücher häufig ungefähr dreißig bis zweiunddreißig. Die sechsunddreißig bis achtunddreißig, die viele in der Schule auswendig gelernt haben, stammen aus einer älteren, stärker idealisierten Rechnung.

Pro Glucosemolekül liefert die aerobe Atmung damit etwa fünfzehnmal so viel wie die Gärung. Bei einem Hundertmetersprint können die Muskeln nicht auf den Sauerstoff warten. Einen Teil der Energie liefert dann die Gärung als Aushilfe. Sie ist schnell zur Stelle, hält aber nicht lange durch.

Dieser Faktor gilt allerdings nur im Vergleich zur Gärung. Auch anaerobe Atmung besitzt eine Elektronentransportkette. Sie kann Nitrat, Sulfat oder dreiwertiges Eisen als letzten Elektronenakzeptor nutzen und bringt in vielen Fällen mehr Energie ein als die Gärung. Der Unterschied im Energiegewinn liegt auch nicht daran, dass Sauerstoff irgendetwas „mit sich trägt“.

Er liegt darin, dass Sauerstoff Elektronen sehr stark an sich zieht und dadurch gegenüber organischen Stoffen ein großes Gefälle entsteht. Einen Teil davon bewahrt die Atmungskette als Protonengefälle über eine Membran hinweg. Anschließend stellt die rotierende Maschine aus Teil drei daraus die Energiewährung her.

Nun zu den drei Stufen. Die erste: Sauerstoff ermöglicht bestimmte Stoffwechselwege. Hier sind die Belege am stärksten. Als effizienter letzter Elektronenakzeptor ermöglicht Sauerstoff die ertragreiche aerobe Atmung. Viele enzymatische Reaktionen verwenden Sauerstoff unmittelbar.

In einer vollständig sauerstofffreien Umgebung können diese konkreten Reaktionen nicht auf demselben Weg ablaufen. Chemie und heutige Physiologie belegen das direkt. Schon bei der Herstellung von Cholesterin in unserem Körper brauchen mehrere Schritte molekularen Sauerstoff.

Die zweite Stufe: Sauerstoff erleichtert bestimmte Strukturen oder Lebensweisen. Hier sind die Belege mittelstark und hängen sehr stark davon ab, worüber genau man spricht.

2005 legten der Planetenforscher Catling und Kollegen eine starke Fassung dieses Arguments vor: Große komplexe Lebewesen auf der Erde, die sich dauerhaft aktiv bewegen und viel Energie umsetzen, sind fast durchweg auf aeroben Stoffwechsel angewiesen. Genügend Sauerstoff könnte daher eine notwendige Bedingung für komplexes Leben mit hohem Energiebedarf sein. Eine ihrer Rechnungen setzt bei der Diffusion an: Soll ein Körper größer als wenige Millimeter werden und seinen Sauerstoff allein durch Einsickern von der Oberfläche beziehen, muss die Konzentration außerhalb hoch genug sein.

Die Stärke dieses Arguments liegt in der physiologischen Energiebilanz. Viele heutige Gewebe mit hohem Stoffwechsel können in völliger Sauerstofflosigkeit tatsächlich nicht dauerhaft bestehen. Das menschliche Gehirn macht nur etwa ein Fünfzigstel des Körpergewichts aus, verbraucht aber ungefähr ein Fünftel des gesamten Sauerstoffs. Schon wenige Minuten ohne Sauerstoff schädigen es.

Am stärksten belegt das jedoch die Aussage, dass bestimmte Stoffwechselwege und Gewebefunktionen Sauerstoff benötigen. Die bloßen Energiezahlen beweisen noch nicht, dass für die abstrakte Eigenschaft „morphologische Komplexität“ zwangsläufig ein einheitlicher Schwellenwert existiert.

Ein Experiment von 2014 schwächte unmittelbar die Fassung, der Sauerstoffgehalt müsse beinahe auf dem heutigen Niveau liegen. Eine dänische Forschungsgruppe setzte einen verbreiteten Meeresschwamm in Wasser mit extrem wenig Sauerstoff. Schwämme haben weder Muskeln noch Nerven und filtern Nahrung aus dem Wasser, das durch ihren Körper strömt; sie gehören zu den einfachsten Tieren. Der untersuchte Schwamm überlebte auch unter Bedingungen, die 0,5 bis 4 Prozent des heutigen atmosphärischen Sauerstoffniveaus entsprachen. Weil Schwämme sehr wahrscheinlich zu den frühesten Abzweigungen im Stammbaum der Tiere gehören, wiegt dieses Ergebnis besonders schwer.

Das Ergebnis sagt klar zweierlei: Es widerspricht der Behauptung, einfache mehrzellige Tiere brauchten annähernd heutige Sauerstoffwerte. Es widerspricht zugleich nicht der Behauptung, dass dieser Schwamm nach wie vor eine Sauerstoffmenge größer als null benötigt. Spätere Versuche mit einer anderen Schwammart senkten das Niveau, dem die Tiere ausgesetzt wurden, auf ungefähr 0,25 Prozent des heutigen Werts. Beobachtet wurden nur vergleichsweise begrenzte Veränderungen.

Auch diese Versuche haben Grenzen. Heutige Schwämme sind physiologisch keine Kopien urzeitlicher Lebewesen. Die Experimente laufen nur begrenzte Zeit. Körperform, Wasserbewegung, Nahrungsangebot und das Zusammenleben mit Mikroorganismen verändern die Grenzen der Diffusion.

Die dritte Stufe: Sauerstoff ist eine notwendige Bedingung für komplexe Strukturen an sich. Soll die Behauptung für jede Art von „Komplexität“ gelten, ist sie am schwächsten belegt.

Denn Komplexität lässt sich nicht durch eine einzige Stoffwechseleigenschaft definieren, und manche Strukturen kommen mit sehr wenig Sauerstoff aus. 2020 wurde entdeckt, dass ein winziges Tier, das als Parasit in Lachsen lebt, sogar das gesamte Genom seiner Mitochondrien verloren hat und nicht mit Sauerstoff atmet. Es ist ein entfernter Verwandter der Quallen, verbringt allerdings sein ganzes Leben in anderen Tieren.

2009 erhob der Paläontologe Butterfield von der Universität Cambridge einen weiter gehenden Einwand: Wenn schon wenige Prozent des heutigen Sauerstoffniveaus den Stoffwechsel einfacher mehrzelliger Tiere ermöglichen, dann ist die lange Zeitspanne im geologischen Befund zwischen dem früher vorhandenen Sauerstoff und den später auftretenden komplexen Formen selbst ein Hinweis. Sauerstoff kann nicht allein die Uhr gestellt haben.

Er betonte außerdem, dass biologische Aktivität die Belüftung der Meere und den Transport organischen Materials verändern kann. Der Kausalpfeil „Sauerstoff bestimmt die ökologische Struktur“ könnte also eine Rückkopplung in umgekehrter Richtung haben. Tiere, die schwimmen, graben oder Wasser filtern, können organisches Material schneller von der Oberfläche in die Tiefe befördern und damit die Verteilung des Sauerstoffs im Meer verändern. Tiere warten nicht nur auf Sauerstoff. Sie schreiben seine Verhältnisse selbst um.

Diese Seite behauptet keineswegs, Sauerstoff spiele keine Rolle. Sie trennt vielmehr zwei Dinge: Der physiologische Mindestbedarf kann sehr gering sein. Wie viel Sauerstoff tatsächlich aus der Umgebung ankommt, hängt zugleich von Grenzschichten, Diffusionswegen, Zirkulation, Körperform und Verhalten ab. Der prozentuale Sauerstoffgehalt der globalen Atmosphäre und der Sauerstoffstrom, der eine bestimmte Zelle tatsächlich erreicht, sind nicht dieselbe Größe.

Von Stufe zu Stufe wird die Behauptung stärker, die Beweislage dagegen schwächer. Ein großer Teil der Kontroversen in der Fachliteratur entsteht genau dadurch, dass alle drei Behauptungen in ein und denselben Satz gepackt werden.

VIII Wer ist in der Überzahl?

Zum Schluss die Gegenwart. 2018 trug eine Gruppe am israelischen Weizmann-Institut weltweite Daten zusammen und legte alle Lebewesen auf dieselbe Waage. Gemessen wurde die Masse ihres Kohlenstoffs, nicht ihr Nassgewicht. Das Ergebnis: Alles Leben auf der heutigen Erde zusammengenommen enthält ungefähr 550 Milliarden Tonnen Kohlenstoff.

Davon entfallen etwa 450 Milliarden Tonnen auf Pflanzen, mehr als achtzig Prozent. Der größte Teil davon steckt als Holz in Baumstämmen. Bakterien folgen an zweiter Stelle mit ungefähr siebzig Milliarden Tonnen. Die meisten von ihnen leben im Untergrund.

Pilze kommen auf rund zwölf Milliarden Tonnen, Archaeen auf sieben, Protisten auf vier. Tiere bringen es auf lediglich zwei Milliarden Tonnen, weniger als ein Prozent. Der Kohlenstoff in Bakterien wiegt über dreißigmal so viel.

Ungefähr die Hälfte der tierischen Biomasse stellen Gliederfüßer. Der größte Teil lebt im Meer: Ruderfußkrebse, kleiner als ein Reiskorn, und Tiere wie Krill. Die Gliederfüßer an Land, überwiegend Insekten, bringen es dagegen nur auf etwa zweihundert Millionen Tonnen. Fische stellen wiederum ungefähr ein Drittel der tierischen Gesamtmasse.

Noch ein paar Zahlen. Alle Menschen zusammen enthalten etwa sechzig Millionen Tonnen Kohlenstoff. Das ist ungefähr ein Tausendstel der Bakterienmasse und etwa ein Zehntausendstel allen Lebens. Die vom Menschen gehaltenen Nutzsäugetiere kommen auf rund hundert Millionen Tonnen, mehr als das Zehnfache aller wild lebenden Säugetiere. Wildvögel enthalten ungefähr zwei Millionen Tonnen; Hausgeflügel mehr als doppelt so viel.

Zählt man Zellen, wird die Übermacht der Mikroorganismen noch größer. Weltweit kommen Bakterien und Archaeen zusammen nach verschiedenen Schätzungen auf (1 bis 3) × 10³⁰ Zellen. Die „Individuenzahl“ aller Lebewesen lässt sich dagegen nicht einmal eindeutig zählen. Im amerikanischen Utah steht ein Wald aus Zitterpappeln. Mehr als vierzigtausend Stämme sind unterirdisch mit demselben Wurzelsystem verbunden. Ob das ein Individuum ist oder vierzigtausend, hängt von der Definition ab.

Im Meer sieht es wieder anders aus. Alles, was dort Photosynthese betreibt, enthält zusammen nur etwa eine Milliarde Tonnen Kohlenstoff. Die davon lebenden Organismen kommen dagegen auf ungefähr fünf Milliarden. Die Biomassepyramide steht auf dem Kopf. Dass Pflanzen die globale Biomasse beherrschen, liegt also vor allem am riesigen Kohlenstoffspeicher Holz an Land. Daraus folgt nicht, dass in den meisten Ökosystemen mehrzellige Lebewesen in der Mehrheit wären.

Der zahlenmäßig häufigste Photosynthesebetreiber im Meer ist ein Cyanobakterium namens Prochlorococcus. Ein Milliliter Meerwasser kann etwa hunderttausend davon enthalten. Der sauerstoffproduzierende Zweig gibt im Meer bis heute den Ton an.

Nun zurück zu dem Aufbau, um den es in diesem Teil geht. Mit Aufbau meint diese Reihe nicht nur menschengemachte Kriterien. Alles, was eine Grenze zieht und darüber entscheidet, was bleiben kann und was nicht, gehört dazu. Hier ist es die chemische Umwelt eines ganzen Planeten: der Redoxzustand der Atmosphäre, die Schichtung der Ozeane, die Liste der Elemente, die durch kontinentale Verwitterung fortgeschickt werden, und ein Verzeichnis der Minerale.

Und was diesen Aufbau umgeschrieben hat, war ein Abfallstoff des Stoffwechsels. Die sauerstoffproduzierenden Zellen hatten weder eine Absicht noch einen Plan. Dem Wasser Elektronen zu entreißen bedeutete für sie, einen überall verfügbaren Elektronenspender zu erschließen. Der Sauerstoff war die Hälfte, die weggeworfen wurde. Er war weder Zweck noch Produkt, sondern Nebenprodukt. Etwas Ausgeschiedenes wurde zum Rohstoff für alles, was danach kam.

Heute sucht man mit diesem Nebenprodukt sogar nach außerirdischem Leben. Astronomen beobachten die Atmosphären von Exoplaneten. Enthält ein Planet dauerhaft große Mengen Sauerstoff, spricht vieles dafür, dass dort etwas unablässig neuen erzeugt. Allerdings kann Sauerstoff unter bestimmten Bedingungen auch ohne Leben entstehen. Mehr als ein Indiz ist er deshalb nicht.

Das ist viel konkreter als der Satz „Lebewesen haben ihre Umwelt verändert“. Ein bestimmter Stoffwechsel scheidet etwas als Abfall aus. Dieser Stoff verändert die Chemie an der Oberfläche eines Planeten und macht später ganz andere Prozesse möglich. Er verändert die UV-Photochemie der Atmosphäre, die Auswahl der stabil existierenden Minerale, die Elemente, die Flüsse ins Meer tragen, und die Schichtung der Ozeane. Womöglich löst er sogar eine weltweite Eiszeit aus. Wer diese Baustoffe hergestellt hat, kommt selbst jedoch nicht in ihren Genuss. Für die sauerstoffproduzierenden Zellen ist der Sauerstoff eine Last. Aus ihm entstehen reaktive Sauerstoffspezies, die besondere Enzyme wieder beseitigen müssen.

Cyanobakterien haben diesen Nachteil am eigenen Leib erfahren. Das Enzym, mit dem sie Stickstoff binden, wird durch Sauerstoff beschädigt. Deshalb bilden manche Cyanobakterien in ihren Zellketten eigens einige dickwandige Zellen aus. Dort wird die Sauerstoffproduktion abgeschaltet, und die Zellen widmen sich ganz der Stickstoffbindung. Vor dem eigenen Abfall müssen sie sich selbst in Sicherheit bringen.

Den Teil, den der Aufbau weder aufnehmen noch beseitigen kann, nennt diese Reihe den Rest. Er liegt nicht in dem, was umgeschrieben wurde, sondern in dem, was nicht umgeschrieben wurde. Der Rest dieses Teils ist die anaerobe Biosphäre.

Sie wurde nicht ausgelöscht, nur in die Orte zurückgedrängt, an die kein Sauerstoff nachgeliefert werden kann: wenige Zentimeter unter die Sedimentoberfläche, in Gesteinsklüfte tief im Untergrund, in Tierbäuche, in die Tiefen geschichteter Gewässer. Der Sauerstoff hat die Anaerobier nicht von der Erde vertrieben. Er hat sie dorthin vertrieben, wo er selbst nicht hinkommt. Zusammen sind diese Orte viel größer als die Oberfläche.

Auch von dir ist diese Welt nicht weit entfernt. Bei dreißig bis fünfzig Prozent aller Menschen lässt sich Methan in der ausgeatmeten Luft messen. Es stammt von methanbildenden Archaeen tief im Darm. Mit jedem Atemzug nutzt du den Abfall photosynthetischer Lebewesen. Und in deinem Körper wohnt noch ein kleines Stück einer Welt, die älter ist als die Große Oxidation.

Wie groß sie heute ist? Die größte Unsicherheit liegt ausgerechnet in dem Lebensraum mit dem größten Volumen, aus dem sich am schwersten Proben gewinnen lassen.