Fast alles Leben benötigt Sauerstoff. Weswegen aber gerade die Erde genug davon hat, gilt als Rätsel der Wissenschaft. Ein Forschungsteam legt im Fachmagazin "Nature Geoscience" eine neue Hypothese zu den Faktoren dar, die die Sauerstoff-Anreicherung in der Erdgeschichte auf den Weg brachten. Demnach wurden die Tage länger, weil sich die Erdumdrehung verlangsamte, und genau diese Entwicklung hätte es photosynthetischen Bakterien vor rund zwei Milliarden Jahren ermöglicht, immer mehr Sauerstoff zu erzeugen, der sich dann in der Atmosphäre anreicherte.

Pflanzen, Algen und manche Bakterien betreiben Photosynthese. Farbstoffe, wie etwa Chlorophyll, nehmen Sonnenlicht auf und verwandeln es in chemische Energie, die zum Aufbau energiereicher organischer Strukturen verwendet wird. Im Fall der oxygenen Photsynthese entsteht molekularer Sauerstoff (O2).

Die Große Sauerstoffkatastrophe bezeichnet den Anstieg der Konzentration von O2 in flachen Gewässern und der Atmosphäre um mehrere Größenordnungen in relativ kurzer Zeit vor 2,4 Milliarden Jahren, als die Erde halb so alt war wie jetzt. Doch bis eine Menge Sauerstoff vorhanden war, in der sich vielfältiges, reifes Leben bilden konnte, mussten noch einige hundert Millionen Jahre vergehen.

Einige der damals anaeroben Lebewesen erzeugten Sauerstoff als giftiges Abfallprodukt der Photosynthese wahrscheinlich bereits seit vielen hundert Millionen Jahren. Cyanobakterien zählen zu diesen ältesten Lebensformen. Sie kommen heute in Süß- und Salzwasser, in Feuchtböden, im Meereswasser, auf Baumrinden und Gesteinsoberflächen vor. "Erst allmählich verwandelte sich die Erde in die sauerstoffreiche Welt, die wir heute kennen", wird die Geo-Mikrobiologin Judith Klatt vom Max Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen in einer Aussendung zur Studie zitiert. "Untersuchungen von Bakterien-Teppichen im Huronsee gaben mir eine Idee, weswegen dieser Prozess so lange dauerte."

Nur sechs Stunden Tageslicht auf der jungen Erde

Der Huronsee, der an den US-Bundesstaat Michigan und an die kanadische Provinz Ontario grenzt, gehört zur Gruppe der fünf Großen Seen Nordamerikas. Die Forscher untersuchten im Spezifischen eine Senke nahe der Mittelinsel des Sees in Michigan, Middle Island Sinkhole genannt. Die Senke liegt 25 Meter unter der Oberfläche des schwefelhaltigen und wenig sauerstoffreichen Wassers. Die in den Tiefen lebenden, rötlichen bis violetten Cyanobakterien gelten als frühen Organismen ähnlich. Sie erzeugen Energie mit Hilfe von Sonnenlicht und konkurrieren in ihrem Lebensraum mit weißen, schwefeloxidierenden Bakterien.

"Cyanobakterien sind keine Frühaufsteher"

Um zu überleben, vollziehen die Mikroben täglich einen kleinen Tanz: Von Sonnenuntergang bis Sonnenaufgang legen sich die Schwefelfresser über die Cyanobakterien. "Bei Sonnenaufgang ziehen die Schwefelfresser dann nach unten und die die Sauerstofferzeuger bewegen sich zur Oberfläche des Bakterieneppichs zum Licht, um Photosynthese zu vollziehen und Sauerstoff abzugeben", erklärt Studienleiterin Klatt. Das einzige Problem in dieser Zweckgemeinschaft: "Cyanobakterien sind keine Frühaufsteher. Sie brauchen morgens eine Weile, um in die Gänge zu kommen. Daher bleiben ihnen für Photosynthese nur wenige Stunden."

Könnte die Tageslänge die Erdgeschichte beeinflusst haben?, fragte sich Brian Arbic, Ozeanograph der Universität Michigan. Nicht immer brauchte die Erde 24 Stunden, um sich um ihre eigene Achse zu drehen. "Als das System Erde-Mond entstand, waren die Tage möglicherweise nur sechs Stunden lang", erklärt Arbic.

Das Forschungsteam simulierte die Verlangsamung der Erdrotation und verglich sein Modell mit solchen zum globalen Sauerstoff-Gehalt. Es zeigte sich, dass die Abgabe von größeren Mengen O2 an längeren Tagen den weltweiten Sauerstoffgehalt in die Höhe getrieben haben könnte. Mit der Tageslänge könnte das Ausmaß an Sauerstoff, die die photosynthetischen Mikroben abgaben, gestiegen sein. Und das wiederum deutet in der Geschichte unseres Heimatplaneten auf eine Verbindung des Sauerstoffgehalts mit der Erdrotation hin.