Eine internationale Gruppe von Geologen und Geochemikern hat in der Zeitschrift Nature Geoscience eine Studie veröffentlicht, die den zeitlichen Rahmen für das Auftreten erster Anzeichen einer Sauerstoffanreicherung auf der Erde erheblich verschiebt. Das Hauptinstrument der Arbeit waren Zirkonkristalle mit einem Alter von bis zu 3,4 Milliarden Jahren, in deren Inneren Wissenschaftler eingeschlossenes Apatitmineral entdeckten. Genau die chemische Zusammensetzung des Schwefels in diesem Apatit erwies sich als „Grabstein“ der alten Atmosphäre: Die Form der Schwefelverbindungen spiegelt exakt die Menge an freiem Sauerstoff zum Zeitpunkt der Mineralbildung wider. Die Ergebnisse zeigten, dass lokale „Sauerstoffoasen“ auf dem Planeten viel früher als bisher angenommen existierten — im Zeitfenster vor 3 bis 3,4 Milliarden Jahren.
Wie die „Zeitkapsel“ des Zirkons funktioniert
Die Wahl von Zirkon als Forschungsobjekt ist kein Zufall. Dieses Mineral besitzt eine außergewöhnliche chemische Stabilität und ist in der Lage, über Milliarden von Jahren in nahezu unveränderter Form zu überdauern und selbst die aggressivsten geologischen Prozesse zu überstehen. Im Inneren einzelner Zirkonkristalle entdeckten die Wissenschaftler Apatiteinschlüsse, die hermetisch in der Wirtsmatrix eingeschlossen waren. Eine solche „Verkapselung“ schützte den Apatit vor jeglichen späteren chemischen Einflüssen — Verwitterung, Metamorphose, hydrothermaler Aufarbeitung. In ihrer Dicke sind die untersuchten Kristalle dünner als ein menschliches Haar, doch in ihrem Inneren konzentrieren sich mikroskopische Partikel von Elementen, die Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre einer Epoche tragen, als sich die Erde radikal von ihrem heutigen Erscheinungsbild unterschied.
Probenngeografie und Analytik
Die Studie hatte einen wahrhaft internationalen Charakter. Proben antiker Gesteine wurden an fünf Orten der Erde gesammelt: in Schottland, Finnland, Südafrika, Brasilien und Australien. Alle Proben mit einem Alter von bis zu 3,4 Milliarden Jahren wurden an die Universität Portsmouth übergeben, und die finale Analysephase wurde an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble durchgeführt, wobei starke Röntgenstrahlung verwendet wurde, um den Oxidationszustand des Schwefels im Apatit präzise zu bestimmen. Die methodische Zuverlässigkeit der Arbeit wird durch den Vergleich desselben Gesteinstyps gewährleistet, der über einen Zeitraum von Milliarden von Jahren gebildet wurde: Dies ermöglichte es, systematische Datenverzerrungen auszuschließen und das primäre Sauerstoffsignal von Artefakten der späteren geologischen Geschichte zu trennen.
„Sauerstoffoasen“ eine Milliarde Jahre vor dem Großen Oxidationsereignis
Lange Zeit hatte sich in der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein Modell etabliert, wonach die Atmosphäre und die Ozeane der Erde bis zum sogenannten Großen Oxidationsereignis (Great Oxidation Event), das auf etwa vor 2,3 Milliarden Jahren datiert wird, praktisch keinen freien Sauerstoff enthielten. Die neue Studie revidiert dieses Bild. Die Analyse der Schwefelverbindungen im Apatit zeigt, dass bereits im Zeitfenster vor 3 bis 3,4 Milliarden Jahren lokale Zonen mit erhöhtem Sauerstoffgehalt auf der Planetenoberfläche existierten — eben jene „Sauerstoffoasen“. Dies bedeutet nicht, dass die Atmosphäre insgesamt mit O₂ gesättigt war, aber das Vorhandensein selbst flächenmäßig begrenzter, jedoch chemisch bestätigter Zonen von freiem Sauerstoff besagt, dass die biogene oder photochemische Sauerstoffproduktion eine Milliarde Jahre früher begann als bisher angenommen.
Verbindung von Oberfläche und Mantel: Die Rolle der Subduktion
Ebenso wichtig ist die Tatsache, dass der Erdmantel im gleichen Zeitraum bereits auf den an der Oberfläche vorhandenen Sauerstoff reagierte — durch den Prozess der Subduktion, das Absinken tektonischer Platten tief in den Mantel mit dem Recycling von Oberflächengesteinen. Dies bedeutet, dass die tiefen Schichten des Planeten und seine Oberfläche funktionell miteinander verbunden waren und viel früher interagierten, als frühere Modelle annahmen. Die Forscher betonen, dass gerade die Plattentektonik eine Schlüsselrolle bei der Schaffung und Aufrechterhaltung von Bedingungen spielte, die die Erde für das Leben geeignet machten. Die Entdeckung hat keine direkte praktische Anwendung im Alltag, bringt die Wissenschaft jedoch der Antwort auf eine fundamentale Frage näher — wie sich unsere Welt von einer sauerstofffreien Welt in eine Umwelt verwandelte, die eine komplexe Biosphäre unterstützen kann.
