Entwicklung der Bioatmosphäre

Die heutige Verteilung der Klimazonen und der darin lebenden Tier- und Pflanzengemeinschaften ist das Ergebnis einer langen erdgeschichtlichen und biologischen Entwicklung.

• Die Bedingungen, die derzeit auf der Erde herrschen, sind nur eine Momentaufnahme, eine Zwischenstufe in einem Prozess, der nur vorübergehende Gleichgewichte kennt.

• Dass das Weltklima sich in Zukunft verändern wird, ist gewiss.

• Wie schnell die nächste Veränderungen eintreten wird, in welche Richtung sie geht und wie tief greifend sie sein wird, hängt unter anderem auch von den Eingriffen des Menschen in das Naturgeschehen ab.

Langer Weg bis zur heutigen Welt

• Bis zu der Welt, wie wir sie heute kennen, war es ein langer Weg.

• Unsere Erde ist fast 5 Milliarden Jahre alt.

• Die ursprüngliche Atmosphäre der jungen, noch heißen Erde bestand aus Gasen, die durch vulkanische Aktivität aus dem Erdinneren an die Oberfläche gelangten.

• Sie setze sich hauptsächlich aus Methan (CH4), wasser (H20), Strickstoff (N2), Ammonium (NH§) und Schwefelwasserstoff (H2S) zusammen.

• Flüssiges Wasser gab es nicht, dafür war die Temperatur noch zu hoch. Die Atmosphäre veränderte sich im Laufe vieler Millionen Jahre.

• Durch die Einwirkung von Sonnenlicht wurde Wasser (H2O) in wasserstoff (H2) und Sauerstoff (1/2 O2) gespalten. Diesen Zerfallsprozess nennt man Protolyse (Lichtspaltung). Der entstehende Sauerstoff oxidierte Methan (CH4) zu Kohlendioxid (CO2).

• Da insgesamt in der Atmosphäre ein enormer Überschuss an Wasserstoff vorlag, wurde aller Sauerstoff unmittelbar bei der Entstehung abgefangen. Freier Sauerstoff konnte sich noch nicht ansammeln.

Abkühlung der Erdoberfläche

• Mit der langsamen Abkühlung der Erdoberfläche kondensierte schließlich Wasser aus der Atmosphäre.

• Die Ozeane entstanden, in denen sich salze und die Gase der Atmosphäre lösten.

• Kohlendioxid (CO2) reagierte mit Silikaten zu unlöslichen Carbonaten.
  Dadurch wurde der Atmosphäre langsam Kohlenstoffdioxid entzogen.

• Freier Sauerstoff gelangte allerdings erst nach der Entstehung des Lebens in die Erdatmosphäre

Ursprungsort des Lebewesens

Mit größter Wahrscheinlichkeit liegt der der Ursprungsort des Lebens in den Ozeanen.

• In den Meeren, wohl besonders in den flachen Küstenzonen, sammelte sich eine hohe Konzentration an organischen Verbindungen.

• Diese Stoffe bildeten sich unter der Einwirkung der energiereichen Sonnenstrahlung aus den im Meerwasser gelösten Gasen der Atmosphäre.

• Diese Annahme wird durch Experimente gestützt, in denen es gelungen ist, aus einer Mischung von Wasser, Methan, Ammonium und Wasserstoff durch elektrische Entladungen Aminosäuren, Zucker und Fettsäuren zu erzeugen.

• Die Komponenten des Lebens mussten vor der Entstehung der ersten lebenden Zelle bereits vorhanden sein.

Übergang von organischen Stoffen

• Der Übergang von organischen Stoffen zum lebenden Organismus ist allerdings weder einfach zu verstehen, noch war er in einem kurzen Zeitraum zu erreichen.

• Die richtige Kombination von Stoffen musste sich im richtigen Verhältnis durch Zufall finden.

• Es handelte sich um ein extrem unwahrscheinliches Ereignis, aber es hatte viele Millionen Jahre Zeit, um zu geschehen.

Die ersten Organismen

• Die ersten Organismen waren einzellig und heterotroph.

• Sie ernährten sich von den energiereichen Verbindungen, aus denen sie selbst entstanden waren und die in ausreichenden Mengen in den oberen Meeresschichten schwammen.

• Wegen des Reichtums an organischen Stoffen, der in den damaligen Ozeanen geherrscht haben muss, spricht man auch oft salopp von der ,,Ursuppe“, in der das Leben seinen Ursprung hatte.

Vermehrung und Ausbreitung der primitiven Zellen

• Da weder in der Atmosphäre noch im Meer Sauerstoff vorhanden vor, muss die Zellatmung anaerob verlaufen sein. Dadurch war sie ein relativ uneffektiver Prozess

• Mit der Vermehrung und Ausbreitung der primitiven Zelle traten auch gleichzeitig die biologischen Gesetze von Konkurrenz und Evolution in Kraft, die die gesamte weitere Entwicklung der Lebewesen bestimmen sollten.

• Die energiereichen Verbindungen, die die Nahrungsgrundlage der ersten Zelle darstellten, wurden allmählich verbraucht und zunehmend seltener.

• Zellen, die andere, wahrscheinlich einfacher aufgebaute Verbindungen veratmen konnten, gewannen neue Nahrungsquelle und breiteten sich auf Kosten der weniger fortschrittlichen Konkurrenz aus.

• Mit der fortschreitenden Erschöpfung auch dieser Vorräte an organischen Substanzen wurden Zellen umso konkurrenzfähiger, je mehr sie die von ihnen benötigten Stoffe selbst herstellen konnten.

Autonomie

• Den letzten Schritt zur Anatomie machten die Organismen, die ganz auf organische Substanzen verzichten konnten und eine alternative Energiequelle nutzten.

• Das waren die Zellen, die Chemo- oder Photosynthese betrieben.

• Chemosynthetische Organismen gewinnen Energie aus chemischen Reaktionen wie zum Beispiel der Oxidationen von Eisen.

• Die photosynthetisch aktiven Zellen beziehen den zur Kohlenwasserstoffsynthese benötigten Wasserstoff entweder aus Schwefelwasserstoff oder aus Wasser.

• Mit der Entstehung der letzten Gruppe begann sich die Welt grundlegend zu ändern.

Grüne photosynthetische Zellen

• Grüne photosynthetische Zellen tauchten vor etwa 3,5 Milliarden Jahren erstmal auf.

• Sie werden den heutigen Cyanobakterien geähnelt haben.

• Ihre Syntheseakitivität setzte Sauerstoff frei.

• Der zuerst entstehende Sauerstoff sättigte durch Oxidation die reduzierenden Substanzen der Erdoberfläche ( z.B viele Metalle) ab.

• Anschließend konnte die Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre beginnen.

• In den höheren Schichten der Erdatmosphäre entstand Ozon (O3), das die Erdoberfläche vor der aggressiven UV-Strahlung der Sonne schützt.

Sauerstoffkonzentration

• Während der letzte 400 Millionen Jahre hat sich die Sauerstoffkonzentration der Luft konstant auf dem heutigen Wert von 21% gehalten.

• Offenbar greifen Regelprozesse ein, die jede Abweichungen nach oben oder nach unten ausgleichen.

• Es wird angenommen, dass die Ozeane dabei eine wichtige Rolle spielen.

• Der Sauerstoffgehalt des Wassers steht mit dem der Luft im Gleichgewicht.

• Sinkt der Sauerstoffgehalt der Luft, nimmt, mit etwas Verzögerung, auch der des Meeres ab.

• In der Folge vergrößen sich die sauerstoffarmen Zonen der Ozeane.

• Tote organische Materie wird hier nicht vollständig abgebaut, sondern lagert sich am Grund als Sediment ab.

• Da die Entstehung organischer Stoffe mit Sauerstoffbildung verbunden ist und ihre Zersetzung ebenso viel Sauerstoff benötigt hätte, kommt es in der Summe zu einem Überschuss an Sauerstoff, der das ursprüngliche Defizit ausgleicht.

• Steigt nun der Sauerstoffgehalt über die normalen 21%, werden auch die bisher sauerstoffarmen Zonen der Meere mehr Sauerstoff enthalten.

• Die organischen Sedimente werden abgebaut, wobei der überschüssige Sauerstoff gebunden wird.

• Die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre sinkt schließlich wieder auf den Normalwert.
  
  Dieser und ähnliche Prozesse tragen zur Stabilisierung unserer Atmosphäre bei. Sie sind aber noch viel zu wenig verstanden, um eine Erklärung dafür zu ermöglichen, warum der Gleichgewichtsgehalt an Sauerstoff sich ausgerechnet bei 21 % einpendelt.