Was verursachte vor rund zweieinhalb Milliarden Jahren den plötzlichen Sauerstoffanstieg in den Meeren und in der Atmosphäre? Weltweit suchen Forschergruppen nach den Spuren des Geschehens - das reinste Detektivspiel. "Es gibt nur wenige Orte, an denen so altes Gestein vorkommt, das nicht irgendwie geologisch verändert wurde", sagt Alan Kaufman von der University of Maryland. Einer davon ist das Hamersley-Becken in Nordwest-Australien mit seinen rund 2,5 Milliarden Jahre alten Meeresablagerungen. Ein Bohrkern durch die Sedimente verriet Kaufman und seinem Team, dass mehr als 50 Millionen Jahre vor dem sogenannten Sauerstoffsprung zumindest im oberen Ozean freier Sauerstoff vorkam.

Die Wissenschaftler hatten das Gestein auf seine Minerale, besonders aber Schwefel und dessen Isotope untersucht. "Die Verteilung der verschiedenen Schwefeltypen zeigt, ob Sauerstoff den Schwefelkreislauf beeinflusst", schreiben die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Science". Die meisten Schwefelatome besitzen 32 Bausteine in ihrem Kern, 16 Protonen und 16 Neutronen. Daneben gibt es beständige Typen mit 17, 18 oder 20 Neutronen. Ihre jeweiligen Anteile variieren mit dem Sauerstoffgehalt in der Umgebung - was Details über die Umweltbedingungen während der Ablagerung verrät.

Mitten im Bohrkern entdeckten die Forscher einen markanten Wechsel: Im unteren Teil dominiert Siderit, ein Eisenkarbonat, das nur unter sauerstofffreien Bedingungen vorkommt. Der obere Teil enthält dagegen hauptsächlich Kalzit, außerdem steigt der Anteil an organischem Material rapide an - Hinweise auf beginnende Bioaktivität? Das jedenfalls spiegelt sich auch in der Verteilung der Schwefelisotope.

Sauerstoff schon vor 2,5 Milliarden Jahren im Ozean

Demnach enthielt die Luft wie die Ozeane vor zweieinhalb Milliarden Jahren bereits geringe Mengen Sauerstoff. An Land verwitterten Sulfide in Kontakt mit Sauerstoff zu Sulfat. Im Ozean wandelten Bakterien beim Abbau toter Organismen das Sulfat wieder in Sulfid um. "Vielleicht zum ersten Mal in der Erdgeschichte war die Wassersäule sauerstoffbedingt geschichtet", schreiben Kaufman und seine Kollegen in "Science". Die Photosynthese von Algen entlang der damaligen Kontinentalränder habe das Gas ins Wasser gebracht.

Eine Spurenelementanalyse von Kollegen bestätigt das Szenario. Mit Hilfe modernster Massenspektrometer-Technik haben Biochemiker um Ariel Anbar von der Arizona State University den Bohrkern auf Molybdän getestet, da dessen Vorkommen von Sauerstoff abhängt. Wo schon die Schwefelwerte Umweltveränderungen angezeigt hatten, hat das Team auch einen Anstieg des Molybdängehalts gemessen.

Theoretisch wäre dafür auch eine andere Erklärung als die Existenz von Sauerstoff denkbar: Das Molybdän könnte aus dem Erdinneren stammen und über heiße Quellen am Meeresboden ins Wasser gelangt sein. "Dabei kämen aber auch Eisen und Mangan ins Meer", erklären Anbar und seine Kollegen. "Beide fehlen in den Proben." Vermutlich setzte also die Verwitterung von Molybdänsulfiden an der Luft das Metall frei. Hierfür reichen bereits geringste Mengen Sauerstoff in der Atmosphäre aus.

Ergebnisse durch Bohrkern aus Südafrika bestätigt

Beide Forschergruppen verglichen ihre Daten mit denen, die aus einem nahezu gleichaltrigen Bohrkern aus Südafrika gewonnen wurden - und sehen ihre Ergebnisse bestätigt. "Vermutlich stieg der Sauerstoffgehalt also weltweit leicht an." Das Bisschen reicht den Wissenschaftlern jedoch, um das Geschehen am Ende des Archaikums, der Erdzeit ohne Leben, zu deuten. "Die Sauerstoff-Revolution war wahrscheinlich keine Folge von Fotosynthese. Die gab es nachweislich schon eher", meinen Anbar und seine Kollegen. Vermutlich seien rein geologische Veränderungen für den dramatischen Anstieg der Sauerstoff-Konzentration in der Atmosphäre verantwortlich - "zum Beispiel eine Verschiebung der Balance zwischen oxidierenden und reduzierenden Stoffen an der Erdoberfläche."

Forscher um Christian Ballhaus von der Universität Bonn fanden jetzt mit Majorit einen möglichen Sauerstofflieferanten. Das Mineral entsteht unter enormem Druck und starker Hitze im oberen Erdmantel. Der in Eisenoxiden gebundene Sauerstoff reagiert rascher und wird in den exotischen Majorit eingebaut, der nur hier vorkommt. "Je höher der Druck, desto mehr Sauerstoff kann Majorit speichern", erklärt Ballhaus. Das heiße Gestein dehnt sich aus und steigt nach oben, und mit ihm der Majorit. Weiter oben ist der Druck schwächer: Das Mineral zerfällt und entlässt den Sauerstoff in die Kreisläufe an der Erdoberfläche, wo er nun frei zur Verfügung steht, schreiben Ballhaus und sein Team in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts "Nature".