Woher kommt Sauerstoff in der Luft? Was war die Sauerstoffquelle auf der Erde?

Der erste Teil der Erdgeschichte war sauerstoffarm; in dieser Zeit gab es kein Leben auf der Erde. Es gibt immer noch Debatten darüber, wer die wichtigsten biologischen Akteure auf der anoxischen Erde waren, aber die meisten Forscher suchen nach den Wurzeln dieser Frage in den ältesten Sedimentgesteinen.

Die meisten Wissenschaftler vermuten, dass die Sauerstoffmenge auf der Erde vor etwa 2,4 Milliarden Jahren, bis sich die Atmosphäre mit Sauerstoff füllte, sehr gering war. Dieser dramatische Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre war auf Cyanobakterien zurückzuführen, eine photosynthetische Mikrobe, die Sauerstoff ausatmet.

Wie und wann sauerstoffatmende Mikroben entstanden, ist noch nicht geklärt, da das Auffüllen der Atmosphäre mit Sauerstoff eine komplexe Kombination aus einem globalen Kälteeinbruch, der Entstehung von Mineralgesteinen und der Entstehung neuer Arten war.

„Wir sind noch nicht in der Lage, die Ursache und die Wirkung zu bestimmen“, sagte Dominique Papine, Spezialist am Carnegie Institution of Washington. „Vieles passierte fast gleichzeitig, deshalb gibt es so viele Unsicherheiten.“ Um die geologische Seite der Angelegenheit besser zu verstehen, untersucht Papine die Vielfalt der Eisen- und Sedimentgesteine, die sich auf dem Boden alter Meere bilden.

Papines Forschung konzentriert sich auf spezielle Mineralien in Eisenformationen, die möglicherweise mit dem Leben und Tod alter Mikroben in Zusammenhang stehen. Eisenmineralien, die tief am Meeresgrund vorkommen, sind die größte Eisenerzquelle. Diese Quelle ist jedoch mehr als nur ein Material zur Herstellung von Stahl. Geologen untersuchen sie, weil sie eine reiche Geschichte haben, die mit der Entstehung des Lebens auf der Erde verbunden ist.

Ihre Herkunft ist jedoch ein sehr großes Rätsel. Die neueste Schlussfolgerung, zu der die meisten Wissenschaftler gekommen sind, ist, dass ihre Bildung die Hilfe spezieller Mikroelemente erfordert, die leider noch nicht identifiziert wurden. Diese einfachen einzelligen Meeresbewohner haben nichts zurückgelassen, was den Forschern helfen könnte, ihr Bild nachzubilden und zu verstehen, was sie sind.

Es ist möglich, dass der Erbauer dieser Eisenmineralien ein Cyanobakterium war und der Sauerstoff dieser Bakterien bereits vor der großen Sauerstoffexplosion die Oxidation von Eisen in den Meeren und Ozeanen verursachte. Warum dauerte es in diesem Fall mehrere hundert Millionen Jahre, bis die Atmosphäre mit Sauerstoff gefüllt war, wenn Cyanobakterien tatsächlich lange vor der Ansammlung von Sauerstoff auf der Erde auftauchten?

Vielleicht haben Papine und seine Kollegen die Antwort auf die Frage in Form einer komplexen Verflechtung von Biologie und Geologie gefunden. Der Sauerstoff des Cyanobakteriums könnte durch Methan zerstört werden. Bei der Wechselwirkung dieser beiden Gase entstehen Kohlendioxid und Wasser. Sie stellten außerdem fest, dass sich Sauerstoff in einer methanreichen Umgebung nicht ansammeln kann.

Methan stammte von Bakterien, die Methanogene genannt wurden, das Ergebnis der Absorption von Kohlendioxid und Wasserstoff durch diese Bakterien, und es entstand Methan. In diesem Szenario dominierten Methanogene und Cyanobakterien die alten Meere und Ozeane, aber die Methanogene waren in größerer Menge vorhanden. Als sie also Methan produzierten, unterbrach es die Sauerstoffansammlung und erwärmte den Planeten infolge des Treibhauseffekts. Doch nachdem die Erde mit Sauerstoff angereichert war, ging die Zahl dieser Organismen stark zurück, sodass sich die Atmosphäre mit diesem Gas füllen konnte.

Wissenschaftler diskutieren seit Jahrhunderten über die wahre Sauerstoffquelle auf der Erde. Nach vorläufigen Daten war der Planet Erde in der ersten Hälfte seines Lebens völlig ohne Sauerstoff. Die meisten Wissenschaftler vertreten die Theorie, dass es vor 2,4 Milliarden Jahren auf der Erde wenig Sauerstoff gab. Unsere Atmosphäre füllte sich nach und nach mit Sauerstoff.

Wie entstand Sauerstoff auf der Erde? Es wird angenommen, dass Cyanobakterien die Hauptquelle für Sauerstoff auf der Erde sind. Es handelt sich um eine photosynthetische Mikrobe, die Sauerstoff produziert. Und dank Cyanobakterien kam es zu einem starken Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre. Wann und warum diese Mikroben auftauchten, ist jedoch noch nicht vollständig bekannt. Auch wie genau der Prozess der Befüllung der Erdatmosphäre mit Sauerstoff ablief, ist noch nicht vollständig geklärt. Es ist bekannt, dass dies eine Kombination aus starker globaler Abkühlung, der Entstehung neuer Arten und der Entstehung neuer Mineralgesteine ​​war. Wie Dominic Papine (Spezialist am Carnegie Institute, Washington) feststellte, ist die Doktrin noch nicht in der Lage, eindeutig zu bestimmen, was die Ursache und was die Wirkung war. Vieles geschah fast gleichzeitig und aus diesem Grund gibt es so viele unterschiedliche Ungereimtheiten und Widersprüche. Um die geologische Seite dieser Frage weiter zu klären, untersucht Dominique Papinet im Detail den Entstehungsprozess von Eisen sowie von Sedimentgesteinen, die sich am Grund alter Meere bilden.

Seine Forschung konzentriert sich auf bestimmte Mineralien. Diese Mineralien sind genau in Eisenformationen enthalten und können durchaus mit der Entstehung des Lebens alter Mikroben und ihrem Tod in Verbindung gebracht werden. Eisenmineralien, die ziemlich weit unten im Meer vorkommen, sind die größte Eisenerzquelle. Und das ist nicht nur ein Material zur Herstellung von Stahl. Laut Geologen ist hier die reiche Geschichte der Entstehung des Lebens auf dem Planeten Erde verborgen.

Und der Ursprung dieser Quelle bleibt immer noch ein großes Rätsel. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass für seine Bildung die Hilfe spezieller Mikroelemente erforderlich ist, es ist jedoch noch nicht bekannt, welche. Diese Meeresorganismen sind einfache einzellige Organismen, die aber leider keine Informationen hinterlassen haben. Und Forscher können jetzt nicht genau herausfinden, wie sie waren und wie sie waren.

Es wird angenommen, dass der Erbauer solcher Eisenmineralien ein Cyanobakterium war. Der daraus austretende Sauerstoff oxidierte Eisen in den Meeren und Ozeanen, lange bevor es zur großen Sauerstoffexplosion kam. Doch eines bleibt unklar. Cyanobakterien erschienen auf dem Planeten Erde lange vor der Anreicherung von Sauerstoff. Es stellt sich heraus, dass Hunderte Millionen Jahre vergangen sind, bis unsere Atmosphäre mit Sauerstoff gefüllt war?

Vielleicht liegt die Antwort in der komplexen Verflechtung von Biologie und Geologie. Der Sauerstoff, den das Cyanobakterium ausatmete, könnte durch Methan zerstört werden. Und wenn diese beiden Gase interagieren, entstehen Wasser und Kohlendioxid. Wissenschaftler stellten fest, dass sich Sauerstoff in einer methanreichen Umgebung nicht ansammeln kann. Methanogene produzierten Methan und blockierten alle Wege zur Sauerstoffanreicherung auf dem Planeten und erwärmten außerdem die Erde als Folge des Treibhauseffekts. Und nachdem der Planet Erde mit Sauerstoff gefüllt war, nahm die Zahl dieser Organismen ab.

Pflanzen haben die einzigartige Fähigkeit, Sauerstoff zu produzieren. Von allen existierenden Arten sind mehrere andere Arten dazu in der Lage. Dieser Vorgang wird wissenschaftlich Photosynthese genannt.

Was wird für die Photosynthese benötigt?

Sauerstoff entsteht nur, wenn alle notwendigen Elemente vorhanden sind für:
1. Eine Pflanze, die grün ist (mit Chlorophyllen im Blatt).
2. Solarenergie.
3. In der Blattplatte enthaltenes Wasser.
4. Kohlendioxid.

Photosyntheseforschung

Van Helmont war der erste, der seine Forschungen der Erforschung von Pflanzen widmete. Im Rahmen seiner Arbeit bewies er, dass Pflanzen ihre Nahrung nicht nur aus dem Boden beziehen, sondern sich auch von Kohlendioxid ernähren. Fast drei Jahrhunderte später bewies Frederick Blackman durch Forschungen die Existenz des Prozesses der Photosynthese. Blackman bestimmte nicht nur die Reaktion von Pflanzen bei der Sauerstoffproduktion, sondern fand auch heraus, dass Pflanzen im Dunkeln Sauerstoff atmen und ihn absorbieren. Die Definition dieses Prozesses wurde erst 1877 gegeben.

Wie erfolgt die Sauerstofffreisetzung?

Der Prozess der Photosynthese läuft wie folgt ab:
Chlorophylle sind dem Sonnenlicht ausgesetzt. Dann beginnen zwei Prozesse:
1. Prozessfotosystem II. Wenn ein Photon mit 250-400 Molekülen des Photosystems II kollidiert, beginnt die Energie schlagartig anzusteigen, dann wird diese Energie auf das Chlorophyllmolekül übertragen. Es beginnen zwei Reaktionen. Chlorophyll verliert 2 und gleichzeitig spaltet sich ein Wassermolekül. 2 Atomelektronen ersetzen die verlorenen Elektronen des Chlorophylls. Die molekularen Träger übertragen dann das „schnelle“ Elektron aufeinander. Ein Teil der Energie wird für die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP)-Molekülen aufgewendet.
2. Prozess Photosystem I. Das Chlorophyllmolekül des Photosystems I absorbiert Photonenenergie und überträgt sein Elektron auf ein anderes Molekül. Das verlorene Elektron wird durch ein Elektron aus Photosystem II ersetzt. Für die Bildung eines neuen Trägermoleküls wird Energie aus Photosystem I und Wasserstoffionen aufgewendet.

In vereinfachter und anschaulicher Form kann die gesamte Reaktion durch eine einfache chemische Formel beschrieben werden:
CO2 + H2O + Licht → Kohlenhydrate + O2

Erweitert sieht die Formel so aus:
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

Es gibt auch eine dunkle Phase der Photosynthese. Es wird auch Stoffwechsel genannt. Im Dunkelstadium wird Kohlendioxid zu Glucose reduziert.

Abschluss

Alle grünen Pflanzen produzieren den lebensnotwendigen Sauerstoff. Abhängig vom Alter der Pflanze und ihren physikalischen Eigenschaften kann die Menge des freigesetzten Sauerstoffs variieren. Dieser Vorgang wurde 1877 von W. Pfeffer Photosynthese genannt.

Es gibt die Meinung, dass Wälder die „Lunge des Planeten“ sind, da angenommen wird, dass sie die Hauptlieferanten von Sauerstoff für die Atmosphäre sind. In Wirklichkeit ist dies jedoch nicht der Fall. Die wichtigsten Sauerstoffproduzenten leben im Ozean. Diese Babys können ohne die Hilfe eines Mikroskops nicht gesehen werden. Aber alle Lebewesen auf der Erde sind auf ihren Lebensunterhalt angewiesen.

Niemand argumentiert, dass Wälder natürlich erhalten und geschützt werden müssen. Allerdings liegt das keineswegs daran, dass es sich um diese berüchtigten „Lungen“ handelt. Denn tatsächlich ist ihr Beitrag zur Anreicherung unserer Atmosphäre mit Sauerstoff praktisch Null.

Niemand wird die Tatsache leugnen, dass die Sauerstoffatmosphäre der Erde durch Pflanzen geschaffen wurde und weiterhin aufrechterhalten wird. Dies geschah, weil sie lernten, mithilfe der Energie des Sonnenlichts organische Substanzen aus anorganischen zu erzeugen (wie wir uns aus dem Biologiekurs in der Schule erinnern, wird ein ähnlicher Prozess Photosynthese genannt). Als Ergebnis dieses Prozesses geben Pflanzenblätter als Nebenprodukt der Produktion freien Sauerstoff ab. Das von uns benötigte Gas steigt in die Atmosphäre auf und verteilt sich dort gleichmäßig.

Nach Angaben verschiedener Institute gelangen so jedes Jahr rund 145 Milliarden Tonnen Sauerstoff in die Atmosphäre unseres Planeten. Darüber hinaus wird der Großteil davon, wenig überraschend, nicht für die Atmung der Bewohner unseres Planeten aufgewendet, sondern für die Zersetzung toter Organismen oder einfach ausgedrückt für den Verfall (etwa 60 Prozent der von Lebewesen verbrauchten Menge). Wie Sie sehen, gibt uns Sauerstoff nicht nur die Möglichkeit, tief durchzuatmen, sondern fungiert auch als eine Art Ofen zum Verbrennen von Müll.

Wie wir wissen, ist kein Baum ewig und wenn die Zeit gekommen ist, stirbt er. Wenn der Stamm eines Waldriesen zu Boden fällt, wird sein Körper über einen sehr langen Zeitraum von Tausenden von Pilzen und Bakterien zersetzt. Sie alle nutzen Sauerstoff, der von überlebenden Pflanzen produziert wird. Nach Berechnungen der Forscher werden für solche „Aufräumarbeiten“ etwa achtzig Prozent des „Wald“-Sauerstoffs verbraucht.

Die restlichen 20 Prozent Sauerstoff gelangen jedoch überhaupt nicht in den „allgemeinen Atmosphärenfonds“ und werden auch von den Waldbewohnern „am Boden“ für ihre eigenen Zwecke genutzt. Schließlich müssen auch Tiere, Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen atmen (ohne Sauerstoff wären, wie wir uns erinnern, viele Lebewesen nicht in der Lage, Energie aus der Nahrung zu gewinnen). Da es sich bei allen Wäldern in der Regel um sehr dicht besiedelte Gebiete handelt, reicht dieser Rückstand nur aus, um den Sauerstoffbedarf nur der eigenen Bewohner zu decken. Für Nachbarn (z. B. Bewohner von Städten mit wenig einheimischer Vegetation) bleibt nichts mehr übrig.

Wer ist dann der Hauptlieferant dieses für die Atmung unseres Planeten notwendigen Gases? An Land handelt es sich seltsamerweise um Torfmoore. Jeder weiß, dass sich ihre Organismen nicht zersetzen, wenn Pflanzen in einem Sumpf sterben, da die Bakterien und Pilze, die diese Arbeit verrichten, nicht im Sumpfwasser leben können – es gibt viele natürliche Antiseptika, die von Moosen abgesondert werden.

So sinken abgestorbene Pflanzenteile, ohne sich zu zersetzen, zu Boden und bilden Torfablagerungen. Und wenn keine Zersetzung stattfindet, wird kein Sauerstoff verschwendet. Daher tragen Sümpfe etwa 50 Prozent des von ihnen produzierten Sauerstoffs zum Gesamthaushalt bei (die andere Hälfte wird von den Bewohnern dieser unwirtlichen, aber sehr nützlichen Orte genutzt).

Dennoch ist der Beitrag der Sümpfe zum allgemeinen „wohltätigen Sauerstofffonds“ nicht sehr groß, da es auf der Erde nicht so viele davon gibt. Mikroskopisch kleine Meeresalgen, deren Gesamtheit von Wissenschaftlern Phytoplankton genannt wird, sind viel aktiver an der „Sauerstoff-Wohltätigkeit“ beteiligt. Diese Kreaturen sind so klein, dass es fast unmöglich ist, sie mit bloßem Auge zu sehen. Ihre Gesamtzahl ist jedoch sehr groß und beläuft sich auf Millionen Milliarden.

Das Phytoplankton auf der ganzen Welt produziert zehnmal mehr Sauerstoff, als es zum Atmen benötigt. Genug, um alle anderen Gewässerbewohner mit nützlichem Gas zu versorgen, und ziemlich viel gelangt in die Atmosphäre. Was den Sauerstoffverbrauch für die Zersetzung von Leichen betrifft, so ist er im Ozean sehr gering – etwa 20 Prozent der Gesamtproduktion.

Dies geschieht dadurch, dass tote Organismen sofort von Aasfressern gefressen werden, von denen es sehr viele im Meerwasser gibt. Diese wiederum werden nach dem Tod von anderen Aasfressern gefressen und so weiter, das heißt, Leichen liegen fast nie im Wasser. Dieselben Überreste, die für niemanden mehr von besonderem Interesse sind, fallen auf den Boden, wo nur noch wenige Menschen leben, und es gibt einfach niemanden, der sie zersetzt (so entsteht der bekannte Schlick), also in In diesem Fall wird kein Sauerstoff verbraucht.

Der Ozean versorgt die Atmosphäre also mit etwa 40 Prozent des Sauerstoffs, den das Phytoplankton produziert. Diese Reserve wird dort verbraucht, wo nur sehr wenig Sauerstoff produziert wird. Zu letzteren zählen neben Städten und Dörfern auch Wüsten, Steppen und Wiesen sowie Berge.

Seltsamerweise lebt und gedeiht die Menschheit auf der Erde gerade dank der mikroskopisch kleinen „Sauerstofffabriken“, die auf der Meeresoberfläche schwimmen. Sie sollten „die Lungen des Planeten“ genannt werden. Und schützen Sie sich auf jede erdenkliche Weise vor Ölverschmutzung, Schwermetallvergiftung usw., denn wenn sie plötzlich ihre Aktivitäten einstellen, haben Sie und ich einfach nichts mehr zum Atmen.