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2026-03-31T08:32:32Z

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[[Datei:Die Zeitskala der Evolution Präkambrium.png|mini|Zeitliche Einordnung der Großen Sauerstoffkatastrophe (GOE) in die [[Evolutionsgeschichte]]<ref>[https://www.mpg.de/forschung/eukaryoten-evolution Eukaryoten: Eine neue Zeittafel der Evolution.] mpg.de (Webpräsenz der Max-Planck-Gesellschaft), 24. Mai 2015</ref>]]

Die '''Große Sauerstoffkatastrophe''' (GOE, nach {{enS|''great oxygenation event''}}) war der Anstieg der [[Konzentration (Chemie)|Konzentration]] von molekularem [[Sauerstoff]] (O2) in flachen Gewässern und der [[Erdatmosphäre|Atmosphäre]] um mehrere Größenordnungen in relativ kurzer Zeit vor etwa 2,4 Milliarden Jahren, an der [[Archaikum-Proterozoikum-Grenze]], als die Erde halb so alt war wie jetzt. In der [[Entwicklung der Erdatmosphäre]] stellt die Große Sauerstoffkatastrophe den Übergang von der zweiten zur dritten Atmosphäre dar.

Einige der damals sämtlich [[Anaerobie|anaeroben]] [[Lebewesen]] erzeugten Sauerstoff aus der [[Photosynthese]] wahrscheinlich bereits seit vielen hundert Millionen Jahren. Aber zunächst hielten leicht oxidierbare Stoffe [[vulkan]]ischen Ursprungs (Wasserstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Eisen) die O2-Konzentration sehr niedrig, unter 0,001 % des heutigen Niveaus (10−5 PAL, {{enS|''present atmospheric level''}}), wie charakteristische Verhältnisse von Schwefelisotopen belegen. In dieser Zeit änderte sich die Farbe der Erde von [[basalt]]<nowiki/>schwarz zu [[rost]]<nowiki/>rot. Abnehmender Vulkanismus, der Verlust von Wasserstoff ins Weltall und eine Zunahme der Photosynthese führten dann zum GOE, das heute als Periode mit mehrfachem Anstieg und Abfall der O2-Konzentration verstanden wird.

Dem GOE folgte unmittelbar eine Vereisung des Planeten, weil das [[Treibhausgas]] Methan und Ablagerungen großer Mengen organischen Materials unter oxidierenden Bedingungen schneller abgebaut wurden, siehe [[Lomagundi-Jatuli-Isotopenexkursion]]. Die [[Δ13C|δ13C]]-Werte deuten auf eine Menge freigesetzten Sauerstoffs entsprechend dem 10- bis 20-fachen des jetzigen O2-Inventars der Atmosphäre. Anschließend fiel die O2-Konzentration für lange Zeit auf mäßige Werte, wahrscheinlich meist unter 10−3 PAL, um erst vor weniger als 1 Mrd. Jahren wieder anzusteigen, was schließlich vielzelliges Leben ermöglichte.

== Ablauf ==
[[Datei:Oxygenation.svg|mini|Veraltete Vorstellung einer monotonen O2-Anreicherung. 
Oben: Atmosphäre, Mitte: flache Ozeane, unten: tiefe Ozeane 
Abszisse: Zeit in Milliarden Jahren (Ga). Ordinaten: O2-Partialdruck der Atmosphäre in [[Physikalische Atmosphäre|atm]] bzw. molare O2-Konzentration im Meerwasser in µmol/L. Die beiden Kurven in jeder Grafik bezeichnen jeweils die obere bzw. untere Grenze des Schätzbereichs (Holland, 2006).<ref>Heinrich D. Holland: ''The oxygenation of the atmosphere and oceans'' In: ''Philososphical Transactions of the Royal Society, Series B'', Band 361, 2006, S. 903–915, [[doi:10.1098/rstb.2006.1838]].</ref>]]

[[Datei:Black-band ironstone (aka).jpg|mini|Bändererz. Dieser etwa 8,5 Tonnen schwere, drei Meter breite und 2,1 Milliarden Jahre alte [[Bändererz|Bändereisenerzblock]] aus [[Nordamerika]] gehört dem [[Museum für Mineralogie und Geologie Dresden]] und befindet sich im [[Botanischer Garten Dresden|Botanischen Garten Dresden]].]]

Die Uratmosphäre der Erde enthielt freien Sauerstoff (O2) allenfalls in sehr geringen Konzentrationen. Vor vermutlich etwa 3,2 bis 2,8 Milliarden Jahren entwickelten [[Mikroorganismen]], nach gegenwärtigen Kenntnissen Vorläufer der heutigen [[Cyanobakterien]], aus einer einfacheren [[Photosynthese]]form eine neue, bei der im Gegensatz zur älteren Form O2 als Abfallprodukt entsteht und die deshalb als ''oxygene Photosynthese'' bezeichnet wird. Dadurch wurde O2 in beträchtlichen Mengen in den Ozeanen gebildet, sowohl vor als auch nach der Großen Sauerstoffkatastrophe. Es gab jedoch einen wesentlichen Unterschied: Vor der Großen Sauerstoffkatastrophe wurde der gebildete Sauerstoff in der Oxidation von [[Organische Chemie|organischen]] Stoffen, [[Schwefelwasserstoff]] und gelöstem [[Eisen]] (als [[Wertigkeit (Chemie)|zweiwertiges]] Eisen-[[Ion]] Fe2+ vorliegend) vollständig gebunden. Der GOE war der Zeitpunkt, an dem diese Stoffe, vor allem Fe2+, weitgehend oxidiert waren und der Neueintrag dieser Stoffe den gebildeten Sauerstoff nicht mehr vollständig binden konnte. Der überschüssige freie Sauerstoff begann sich nun im Meerwasser und in der Atmosphäre anzureichern.

Man nimmt mehrheitlich an, dass zwischen dem Auftreten der oxygenen Photosynthese mit der damit verbundenen Produktion von O2 und dem Beginn der Anreicherung von freiem Sauerstoff eine lange Zeit verging, weil große Mengen an mit O2 oxidierbaren Stoffen vorhanden waren und aus [[Verwitterung]] und [[Vulkanismus]] nachgeliefert wurden, das gebildete O2 also sogleich gebunden wurde.

Die Oxidation von Fe2+ zu dreiwertigen Eisen-Ionen Fe3+ führte zur Ablagerung von [[Bändererz]] (''Banded Iron Formation''), wo Eisen hauptsächlich in Form von [[Oxide]]n, nämlich [[Hämatit]] Fe2O3 und [[Magnetit]] Fe3O4 vorliegt. In alten Kontinentschilden, die in der langen Zeit relativ wenig tektonisch verändert wurden, sind solche Bändererze bis heute erhalten, beispielsweise [[Hamersley Range|Hamersley]] Basin (Westaustralien), Transvaal Craton (Südafrika), [[Animikie Group]] ([[Minnesota]], USA). Sie sind global die wichtigsten [[Eisenerz]]e. Sauerstoff begann erst kurz (etwa 50 Mio. Jahre) vor dem GOE in der Atmosphäre zu verbleiben.<ref name="Anabar2007"/><ref name="Slotznick2022"/>

== Theorie des späten Erscheinens der oxygenen Photosynthese ==
Dieser Theorie zufolge entwickelten sich die phototrophen Sauerstoffproduzenten erst unmittelbar vor dem größeren Anstieg der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration. Die Theorie stützt sich auf die [[massenunabhängige Fraktionierung]] von [[Schwefel]]-Isotopen, der man eine Indikator-Funktion für Sauerstoff zuschreibt.<ref name="Kopp2005" /> Bei dieser Theorie muss die Zeitspanne zwischen der Evolution oxygen photosynthetischer [[Mikroorganismen]] und dem Zeitpunkt des O2-Konzentrationsanstiegs nicht erklärt werden.

Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass der Sauerstoffindikator fehlinterpretiert wurde. Im Verlauf des vorgeschlagenen Zeitversatzes der oben genannten Theorie fand ein Wechsel von massenunabhängiger Fraktionierung (MIF) zu einer massenabhängigen Fraktionierung (MDF) von Schwefel statt. Es wird angenommen, dass dies das Ergebnis des Auftauchens von Sauerstoff O2 in der Atmosphäre war. Sauerstoff hätte die MIF verursachende [[Photolyse]] von [[Schwefeldioxid]] unterbunden. Dieser Wechsel von MIF zu MDF der Schwefel-Isotope hätte auch von einem Anstieg glazialer Verwitterung verursacht worden sein können. Ebenso in Frage kommt eine Homogenisierung der marinen Schwefelvorkommen als Ergebnis eines vergrößerten [[Temperaturgradient]]en während der [[Paläoproterozoische Vereisung|Huronischen Vereisung]].<ref name="Kopp2005" />

== Nachlauf-Theorie ==
[[Datei:Rspb20210675f04.jpg|mini|links|Vorschlag für eine Darstellung des [[Cyanobakterien|cyanobakteriellen]] Kontexts der Oxidation auf der Erde.<ref name=Fournier2021>G. P. Fournier, K. R. Moore, L. T. Rangel, J. G. Payette, L. Momper, T. Bosak: [https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2021.0675 The Archean origin of oxygenic photosynthesis and extant cyanobacterial lineages], Band 288, Nr. 1959, 29. September 2021, [[doi:10.1098/rspb.2021.0675]], PMID 34583585</ref>]]
Unter dem Nachlauf (der bis zu 900 Mio. Jahre betragen haben könnte) versteht man den Zeitversatz zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Sauerstoffproduktion photosynthetisch aktiver Organismen startete, und dem (in geologischen Zeiträumen) schnellen Anstieg atmosphärischen Sauerstoffs vor ca. 2,5 bis 2,4 Milliarden Jahren. Mit Hilfe einer Reihe von Hypothesen wird versucht, diesen Zeitversatz zu erklären.

=== Tektonischer Auslöser ===
Dieser Theorie zufolge wird der Zeitversatz damit erklärt, dass der Sauerstoffanstieg auf tektonisch bedingte Veränderungen der „Anatomie“ der Erde warten musste. Es war das Erscheinen von [[Schelf]]meeren, wo reduzierter Kohlenstoff die Sedimente erreichen und dort abgelagert werden konnte.<ref>{{Literatur |Autor=T. M. Lenton, H. J. Schellnhuber, E. Szathmáry |Titel=Climbing the co-evolution ladder |Sammelwerk=Nature |Band=Vol. 431 |Nummer=7011 |Datum=2004 |Seiten=913 |DOI=10.1038/431913a |PMID=15496901 |bibcode=2004Natur.431..913L}}</ref> Daneben wurde der neu produzierte Sauerstoff zunächst in verschiedenen Oxidationen im Ozean gebunden, in erster Linie in einer Oxidation von zweiwertigem Eisen. Für dieses Phänomen gibt es Belege in älteren Gesteinsformationen, nämlich große Mengen [[Bändererz]]e, die offensichtlich durch die Eisenoxidation abgelagert wurden. Unter diesen Bändererzen finden sich heute sehr wichtige kommerziell abbaubare [[Eisenerz]]e.

=== Nickelmangel ===
Chemosynthetische Organismen waren eine Methan-Quelle. Methan war aber eine Falle für molekularen Sauerstoff, denn Sauerstoff oxidiert Methan im Beisein von [[UV-Strahlung]] ohne weiteres Zutun zu [[Kohlendioxid]] und Wasser. Heutige methanbildende Mikroben benötigen [[Nickel]] als [[Koenzym]]. Als sich die Erdkruste abkühlte, wurde die Nickel-Zufuhr und damit die Methan-Produktion reduziert, was erlaubte, dass Sauerstoff die Atmosphäre dominierte. In der Zeit von 2,7 bis 2,4 Milliarden Jahren vor heute nahm die abgelagerte Nickelmenge stetig ab; sie lag ursprünglich beim 400-fachen des heutigen Niveaus.<ref>{{Literatur |Autor=Kurt O. Konhauser et al. |Titel=Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the great oxidation event |Sammelwerk=Nature |Band=Vol. 458 |Nummer=7239 |Datum=2009 |Seiten=750–753 |DOI=10.1038/nature07858 |PMID=19360085 |bibcode=2009Natur.458..750K}}</ref>

== Folgen der Großen Sauerstoffkatastrophe ==
Der steigende Sauerstoffgehalt in den Ozeanen hat möglicherweise einen großen Teil der obligat anaeroben Organismen ausgelöscht, die zu dieser Zeit die Erde bevölkerten.<ref>{{Literatur |Autor=Adriana Dutkiewicz, Herbert Volk, Simon C. George, John Ridley, Roger Buick |Titel=Biomarkers from Huronian oil-bearing fluid inclusions: An uncontaminated record of life before the Great Oxidation Event |Sammelwerk=Geology |Band=34 |Nummer=6 |Datum=2006-01-06 |Seiten=437–440 |DOI=10.1130/G22360.1}}</ref> Der Sauerstoff war für obligat anaerobe Organismen tödlich und für das wahrscheinlich größte [[Massenaussterben]] wesentlich verantwortlich. Bei nicht an O2 angepassten Lebewesen bilden sich im Zuge ihres [[Stoffwechsel]]s [[Peroxide]], die sehr reaktiv sind und lebenswichtige Bestandteile der Lebewesen beschädigen. Vermutlich entwickelten Lebewesen während der Zeit, als zwar O2 gebildet, aber stets in Oxidationen verbraucht wurde, [[Enzyme]] ([[Peroxidasen]]), welche die sich bildenden Peroxide zerstören, so dass die Giftwirkung des O2 ausgeschaltet wurde.

Der Umwelteinfluss der Großen Sauerstoffkatastrophe war global. Die Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre hatte drei weitere schwerwiegende Konsequenzen:
#Atmosphärisches [[Methan]] (ein starkes [[Treibhausgas]]) wurde zu [[Kohlenstoffdioxid]] (einem schwächeren Treibhausgas) und Wasser oxidiert, was die [[Huronische Eiszeit]] auslöste. Letztere könnte eine vollständige und, sofern überhaupt, die längste [[Schneeball-Erde]]-Episode in der Erdgeschichte gewesen sein, die von ca. −2,4 bis −2,0 Milliarden Jahre andauerte.<ref name="Kopp2005">{{Literatur |Autor=Robert E. Kopp, Joseph L. Kirschvink, Isaac A. Hilburn, and Cody Z. Nash |Titel=The Paleoproterozoic snowball Earth: A climate disaster triggered by the evolution of oxygenic photosynthesis |Sammelwerk=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |Band=Vol. 102 |Nummer=32 |Datum=2005 |Seiten=11131–11136 |DOI=10.1073/pnas.0504878102 |PMC=1183582 |PMID=16061801 |bibcode=2005PNAS..10211131K}}</ref><ref name="NS">[https://www.newscientist.com/article/mg20527461.100-first-breath-earths-billionyear-struggle-for-oxygen.html ''First breath: Earth's billion-year struggle for oxygen.''] In: ''New Scientist'', Band 2746, 5. Februar 2010, Nick Lane: ''{{Webarchiv | url=http://ptc-cam.blogspot.com/2010/02/first-breath-earths-billion-year.html | wayback=20110106141826 | text=A snowball period, c2.4 – c2.0 Gya, triggered by the oxygen catastrophe}}''.</ref>
#Freier Sauerstoff führte zu enormen Änderungen der chemischen Interaktion zwischen Feststoffen der Erde auf der einen Seite und der Erdatmosphäre, den Weltmeeren und anderen Oberflächengewässern auf der anderen Seite. So vergrößerte sich die Vielfalt der auf der Erde vorkommenden [[Mineralien]] stark. Es wird geschätzt, dass das GOE alleine für mehr als 2500 der insgesamt etwa 4500 Mineralien verantwortlich ist. Der Großteil dieser Mineralien waren [[Aquakomplexe]] oder oxidierte Formen der Mineralien, die sich aufgrund dynamischer [[Erdmantel]]- und [[Erdkruste]]nprozesse nach dem GOE bildeten.<ref name="sciam1"/>
#Der erhöhte Sauerstoffgehalt öffnete der [[Evolution]] der Lebewesen neue Wege. Die Verfügbarkeit freien Sauerstoffs in der Atmosphäre war ein Durchbruch der Evolution des Energiestoffwechsels, sie erhöhte das Angebot [[Freie Energie|thermodynamisch freier Energie]] für Lebewesen sehr stark. Denn bei einer großen Anzahl von Stoffen setzt die Oxidation mit O2 wesentlich mehr nutzbare Energie frei als ein Stoffumsatz ohne Oxidation mit O2.

== Hinweise auf freien Sauerstoff vor der Großen Sauerstoffkatastrophe ==
Es gibt Hinweise darauf, dass es bereits vor dem GOE Episoden mit O2-Partialdrücken von mindestens einem 3000stel des heutigen Niveaus gegeben haben muss. So zeigen ca. 3 Mrd. Jahre alte Paläoböden und [[Evaporit]]e in Südafrika starke Anzeichen für Sauerstoffverwitterung. Dies könnte ein Hinweis auf zu dieser Zeit entstehende Photosynthese betreibende Protocyanobakterien sein.<ref name="Crowe2013"/>

== Weblinks ==
* GOE und Eisen als wichtiges chemisches Element für Leben:
** [https://www.eurekalert.org/news-releases/936976 Iron integral to the development of life on Earth – and the possibility of life on other planets], EurekAlert! vom 6. Dezember 2021
** Carly Cassella: [https://www.sciencealert.com/this-one-element-could-have-been-crucial-to-evolution-of-complex-life-on-earth This Element Could Have Been Crucial to The Evolution of Complex Life on Earth], sciencealert vom 7. Dezember 2021
* Cédric M. John: [https://theconversation.com/earths-oceans-once-turned-green-and-they-could-change-again-253460 Earth’s oceans once turned green – and they could change again]. Auf: The Conversation (theconversation.com) vom 9. April 2025. Ebenso: [https://www.sciencealert.com/earths-oceans-were-once-green-says-study-of-volcanic-waters Earth's Oceans Were Once Green, Says Study of Volcanic Waters]. Auf: sciencealert vom 10. April 2025.

== Literatur ==
* Timothy W. Lyons, Christopher T. Reinhard, Noah J. Planavsky: ''The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere.'' In: ''Nature'', Band 506, 2014, [[doi:10.1038/nature13068]] (freier Volltextzugriff: [https://www.researchgate.net/profile/Timothy_Lyons/publication/260270485 ResearchGate]).
* Haitao Shang, Daniel H. Rothman, Gregory P. Fournier: [https://www.nature.com/articles/s41467-022-28996-0 Oxidative metabolisms catalyzed Earth’s oxygenation]. In: ''Nature Communications'', Band 13, Nr. 1328, 14. März 2022, [[doi:10.1038/s41467-022-28996-0]]; siehe dazu auch: Carly Cassella: [https://www.sciencealert.com/ocean-microbes-and-minerals-could-together-have-oxygenated-earth New Theory Suggests Sneaky Way Ocean Microbes And Minerals May Have Oxygenated Earth], sciencealert vom 20. März 2022
* Catherine F. Demoulin, Yannick J. Lara, Alexandre Lambion, Emmanuelle J. Javaux: ''Oldest thylakoids in fossil cells directly evidence oxygenic photosynthesis.'' In: ''Nature'', 3. Januar 2024, [[doi:10.1038/s41586-023-06896-7]]; siehe dazu auch: Nadja Podbregar: [https://www.scinexx.de/news/biowissen/fossilien-erhellen-urspruenge-der-photosynthese/ Fossilien erhellen Ursprünge der Photosynthese – 1,75 Milliarden Jahre alte Cyanobakterien-Relikte zeigen älteste Thylakoid-Membran], scinexx.de, und Michelle Starr: [https://www.sciencealert.com/earliest-evidence-yet-reveals-photosynthesis-evolved-at-least-1-75-billion-years-ago Earliest Evidence Yet Reveals Photosynthesis Evolved at Least 1.75 Billion Years Ago], sciencealert, beide vom 4. Januar 2024.

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Anabar2007">
Ariel D. Anbar, Yun Duan, Timothy W. Lyons, Gail L. Arnold, Brian Kendall, Robert A. Creaser, Alan J. Kaufman, Gwyneth W. Gordon, Clinton Scott, Jessica Garvin und Roger Buick: ''A whiff of oxygen before the great oxidation event?'' In: ''Science'', Band 317, Nr. 5846, 28. September 2007, S. 1903–1906, [[doi:10.1126/science.1140325]].
</ref>
<ref name="Crowe2013">
{{Literatur |Autor=Sean A. Crowe, Lasse N. Døssing, Nicolas J. Beukes, Michael Bau, Stephanus J. Kruger, Robert Frei, Donald E. Canfield  |Titel=Atmospheric oxygenation three billion years ago |Sammelwerk=Nature |Band=501 |Seiten=535–538 |Datum=2013-09-26 |DOI=10.1038/nature12426}}
</ref>
<ref name="sciam1">
Robert M. Hazen: ''Evolution of Minerals.'' In: ''Scientific American'', Band 302, 2010, [[doi:10.1038/scientificamerican0310-58]], (freier Volltextzugriff: [https://www.researchgate.net/profile/Robert_Hazen/publication/41576896 ResearchGate]).
</ref>
<ref name="Slotznick2022">
Sarah P. Slotznick, Jena E. Johnson, Birger Rasmussen, Timothy D. Raub, Samuel M. Webb, Jian-Wei Zi, Joseph L. Kirschvink, Woodward W. Fischer: ''Reexamination of 2.5-Ga “whiff” of oxygen interval points to anoxic ocean before GOE.'' In: ''Science Advances'', Band 8, Nr. 1, 5. Januar 2022, [[doi:10.1126/sciadv.abj7190]]; siehe dazu auch:
* [https://scitechdaily.com/new-high-resolution-evidence-questions-whiff-of-oxygen-in-earths-early-history/ New, High-Resolution Evidence Questions “Whiff of Oxygen” in Earth’s Early History], SciTechDaily vom 5. Januar 2022. Quelle: Dartmouth College,
* Nadja Podbregar: [https://www.scinexx.de/news/geowissen/wie-lebensfreundlich-war-die-urerde/ Wie lebensfreundlich war die Urerde? Der UV-Schutz durch die Ozonschicht entwickelte sich später als angenommen], scinexx.de vom 6. Januar 2022.
</ref>
</references>

{{SORTIERUNG:Grosse Sauerstoffkatastrophe}}
[[Kategorie:Evolution]]
[[Kategorie:Paläontologie]]
[[Kategorie:Proterozoikum]]
[[Kategorie:Massenaussterbeereignis]]

Große Sauerstoffkatastrophe - Versionsgeschichte

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