Zwei Milliarden Jahre altes Salzgestein zeigt den Aufstieg von Sauerstoff in der Atmosphäre

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Ein 2 Milliarden Jahre altes Stück Meersalz liefert neue Beweise für die Zeit, in der die Erdatmosphäre in eine sauerstoffreiche Umgebung umgewandelt wurde und das Leben, wie wir es kennen, erst ermöglicht hat. Dies haben nun Forscher der Princeton University herausgefunden und in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. 

Die Studie eines internationalen Teams – einschließlich der Princeton University – hat jetzt herausgefunden, dass der Sauerstoffanstieg, der vor etwa 2,3 Milliarden Jahren stattfand und als “Great Oxidation Event” bezeichnet wird, sehr viel substanzieller war als bislang vermutet.

“Statt eines Rinnsals war es mehr wie ein Löschschlauch”, sagte Clara Blättler, eine Postdoktorandin der Abteilung für Geowissenschaften in Princeton und Erstautorin der Studie, die jetzt veröffentlicht wurde. “Es war eine weitreichende Veränderung in der Sauerstoffproduktion.”

Die Beweise für den starken Sauerstoffanstieg stammen von kristallisierten Salzgesteinen, die aus einem 2 km tiefen Bohrloch in der Region Karelien im Nordwesten Russlands gewonnen wurden. Diese Salzkristalle blieben zurück, als altes Meerwasser evaporierte. Sie geben Geologen einzigartige Hinweise, wie die Ozeane und die Atmosphäre vor 2 Milliarden Jahren zusammengesetzt waren.

Der Hauptindikator für den Anstieg der Sauerstoffproduktion kam durch die Entdeckung, dass die Mineralvorkommen eine überraschend große Menge an Sulfaten enthielten. Diese werden erzeugt, wenn Schwefel mit Sauerstoff reagiert.

“Dies ist der stärkste Beweis dafür, dass das alte Meerwasser, aus dem diese Mineralien herausgefällt wurden, hohe Sulfatkonzentrationen von mindestens 30 Prozent des rezenten ozeanischen Sulfats aufwies”, sagte Aivo Lepland, Forscher am Geological Survey of Norway, ein Geologie-Spezialist an der Technischen Universität Tallinn und leitender Autor der Studie. “Dies ist ein viel höherer Wert als bisher angenommen und wird ein beträchtliches Umdenken der Größenordnung der Sauerstoffversorgung des 2 Milliarden Jahre alten Atmosphären-Ozean-Systems der Erde erfordern.”

Sauerstoff macht etwa 20 Prozent der Luft aus und ist essentiell für das Leben, wie wir es kennen. Nach geologischen Erkenntnissen tauchte Sauerstoff vor 2,4 bis 2,3 Milliarden Jahren in der Erdatmosphäre auf.

Bis zur neuen Studie waren die Geologen jedoch unsicher, ob diese Sauerstoffzunahme ein langsam stattfindendes Ereignis war und mehrere Millionen Jahre dauerte oder ob der Prozess schneller vonstatten ging. Verursacht wurde dieser Sauerstoffanstieg durch das Wachstum von Cyanobakterien, die zur Photosynthese fähig sind, also die Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff abgeben.

12 H2O +6 CO2 → C6H12O6 +6 O2↑ +6 H2O

“Es war schwierig, diese Thesen zu testen, da wir aus dieser Zeit keine Beweise für die Zusammensetzung der Atmosphäre hatten”, sagte Blättler.

Die kürzlich entdeckten Kristalle liefern diesen Beweis. Die in Russland gesammelten Salzkristalle sind über eine Milliarde Jahre älter als alle bisher entdeckten Salzlagerstätten. Die Ablagerungen enthalten Halit, das Steinsalz genannt wird und chemisch identisch ist mit Kochsalz oder Natriumchlorid.

Normalerweise lösen sich diese Mineralien leicht auf und würden im Laufe der Zeit ausgefällt werden, aber in diesem Fall waren sie in der Tiefe der Erde außergewöhnlich gut erhalten. Geologen vom Geologischen Dienst von Norwegen in Zusammenarbeit mit dem Karelischen Forschungszentrum in Petrosawodsk, Russland, haben die Salze mithilfe einer Bohrstelle namens Onega Parametric Hole (OPH) am Westufer des Onegasees gewonnen.

Die einzigartigen Eigenschaften der Probe machen sie sehr wertvoll, um die Geschichte dessen, was nach dem Great Oxidation Event passiert ist, zusammenzufassen, sagte John Higgins. Er ist Assistant Professor für Geowissenschaften in Princeton, der zusammen mit anderen Co-Autoren die Interpretation der geochemischen Analyse lieferte.

“Dies ist eine ziemlich spezielle Klasse von geologischen Lagerstätten”, sagte Higgins. “Es gab viele Diskussionen darüber, ob das Große Oxidationsereignis, das mit der Zunahme oder Abnahme verschiedener chemischer Signale verbunden ist, eine große Veränderung in der Sauerstoffproduktion oder nur eine Schwelle darstellt, die überschritten wurde. Die Quintessenz ist, dass diese Veröffentlichung den Beweis liefert, dass zu der Zeit des Great Oxidation Events sehr viel Sauerstoff produziert wurde.”

Die Forschungsergebnisse werden die Entwicklung neuer Modelle vorantreiben, die erklären können, was nach dem großen Oxidationsereignis geschah, sagte Blättler. “Es gab möglicherweise wichtige Änderungen in den Rückkopplungszyklen an Land oder in den Ozeanen oder eine starke Zunahme der Sauerstoffproduktion durch Mikroben, aber in beiden Fällen war es viel dramatischer als wir es vorher vermutet hatten.”

VeröffentlichungTwo-billion-year-old evaporites capture Earth’s great oxidation by C.L. Blättler, M.W. Claire, A.R. Prave, K. Kirsimäe, J.A. Higgins , published in the journal Science, 2018. DOI: 10.1126/science.aar2687

Quelle: off. Pn der Princeton University 

Coverbild: 2 Milliarden Jahre altes Salz liefert wichtige Hinweise zum Great Oxidation Event. (Bild: Aivo Lepland, Geological Survey of Norway; courtesy of Science/AAAS)

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.