Der Ursprung des Tierreichs: Wie vor Jahrmillionen die Artenvielfalt entstand

Aus einem Urknall des Lebens entwickelten sich vor 538,8 Millionen Jahren fast alle Tierstämme wie Weichtiere und Wirbeltiere: „Kambrische Explosion“ nennen Forschende die Initialzündung, aus der in wenigen Jahrmillionen all jene Baupläne hervorgingen, die noch heute unser Tierleben bestimmen.

Dieser biologische Big Bang ereignete sich nach einer Periode von einigen hundert Millionen Jahren, in denen der Sauerstoffgehalt der Luft sehr stark zwischen weniger als einem Prozent und etwa der Hälfte des heutigen Wertes (21 Prozent) schwankte. Diese „extreme Variabilität“ schließen Alex Krause vom University College London und sein Team in der Zeitschrift Science Advances aus Computermodellen.

In ihren Berechnungen bringt die Gruppe eine Reihe von geochemischen Isotopen-Analysen aus den letzten 1500 Millionen Jahren zusammen. Die Kreisläufe zwischen den Prozessen des Lebens, sowie Boden, Wasser und Luft prägen die Atmosphäre unseres Planeten offensichtlich bereits seit Jahrmilliarden, erklärt der Geologe Philip Pogge von Strandmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der an der Studie nicht beteiligt war.

Nur gab es anfangs praktisch keinen freien Sauerstoff. Erst vor rund 2,4 Milliarden Jahren tauchten in der Luft Spuren dieses Gases auf. Es stammte von Vorläufern der noch heute lebenden Cyanobakterien, die Sonnenenergie nutzten, um aus dem Treibhausgas Kohlendioxid und aus Wasser Biomoleküle herzustellen und dabei als Abfall freien Sauerstoff produzierten. Da die meisten der damals lebenden Organismen keinen Sauerstoff vertrugen, kam es wohl zu einem frühen Massenaussterben in der Erdgeschichte.

Schwankender Sauerstoffgehalt

Danach lag der Gehalt dieses Gases in der Atmosphäre längere Zeit ein wenig über einem Prozent des heutigen Wertes. Vor vielleicht 900 Millionen Jahren begann nach der Studie von Krause und seinem Team diese sehr niedrige Sauerstoff-Konzentration zu steigen, um vor vielleicht 800 Millionen Jahren wieder stark abzusacken.

Danach stieg der Gehalt dieses Gases wieder kräftig an, erreichte sogar 50 Prozent der heutigen Werte, um dann vor rund 715 Millionen Jahren wieder auf weniger als ein Prozent abzustürzen. Dieses Auf und Ab des Sauerstoff-Gehaltes wiederholte sich noch einige Male und fiel mit der Zeit weniger stark aus. Seit dem Urknall des Lebens hielten sich die Sauerstoff-Gehalte dann über zwei oder drei Prozent der heutigen Werte.

Welche Vorgänge steckten hinter diesen Schwingungen? Als sich die Algen in den Weltmeeren vermehrten, produzierten sie nicht nur mehr Sauerstoff, sondern holten auch mehr Kohlendioxid aus der Luft. Dadurch verringerte sich der Treibhauseffekt und das Weltklima begann sich abzukühlen, bis schließlich eine der stärksten Eiszeiten der Erdgeschichte begann.

Das verwitterte Gestein, das Gletscher abgetragen hatten, wirkte mit seinen Elementen wie ein Dünger, der die Algen kräftig wachsen ließ.

Philip Pogge von Strandmann, Geologe an der Uni Mainz

„In dieser Sturtischen Eiszeit finden wir Spuren von Gletschern am damaligen Äquator und auf Meereshöhe“, erklärt Philip Pogge von Strandmann. „Möglicherweise lag die Erde damals fast überall unter einer dicken Eisdecke, aus dem Weltraum gesehen ähnelte der Planet einem gigantischen Schneeball.“

Unter dem Eis starben die Algen, die Sauerstoff-Produktion stockte. Dadurch sackten die Sauerstoffwerte massiv ab, die CO2-Konzentration gingen in die Höhe und die Eispanzer schmolzen wieder ab. „Vorher aber hatten die Gletscher viel Gestein an Land abgetragen, das verwitterte und mit den darin enthaltenen wichtigen Elementen wie ein Dünger die Algen kräftig wachsen ließ“, so der Geologe Pogge von Strandmann. Und wieder reicherte sich Sauerstoff in der Luft an, die CO2-Werte ging runter und die Marinoischen Eiszeit stand vor der Tür.

Erst als die Sauerstoffwerte nicht mehr so drastisch abfielen, war dann in der Zeit vor 538,8 Millionen Jahren mit dem Urknall des Lebens der Weg frei zur Entwicklung verschiedener Lebewesen, die alle Sauerstoff zum Leben brauchen. Ein wichtiger Faktor für die langsame Stabilisierung des Sauerstoff-Gehaltes waren wohl auch die Pflanzen, die damals begannen, das Land zu erobern. Dort konnten sie wichtige Nährstoffe aus dem Boden holen und so viel dichter wachsen als Algen im offenen Meer.

Eine weitere deutliche Änderung des Sauerstoff-Gehaltes der Luft ereignete sich offensichtlich vor rund 440 Millionen Jahren. Damals wurden tote Pflanzen in Sümpfen nicht mehr vollständig zersetzt und wurden zu Torf und Kohle. Dadurch blieb ein Teil des Kohlenstoffs unter der Erde, der CO2-Gehalt der Luft und der Treibhauseffekt gingen zurück.