Sauerstoff auf der frühen Erde könnte aus Quarz stammen, der durch Erdbeben zerkleinert wurde

Erdbeben und andere geologische Prozesse könnten sauerstoffproduzierende Reaktionen ermöglicht haben, die die Entwicklung einiger der frühesten Organismen der Erde geprägt haben.

Heute macht Sauerstoff etwa ein Fünftel der Erdatmosphäre aus, wobei der größte Teil von Pflanzen und Mikroben produziert wird. So fing es nicht an. Es gab sehr wenig Sauerstoff in der Atmosphäre, bis der Sauerstoffgehalt während des Großen Oxidationsereignisses vor 2,4 Milliarden bis 2,3 Milliarden Jahren anstieg, dank der schnellen Ausbreitung von Mikroben, die Sauerstoff durch Photosynthese freisetzen.

Das weitverbreitete Vorhandensein von antioxidativen Enzymen im gesamten Baum des Lebens deutet jedoch darauf hin, dass ein gemeinsamer Vorfahre, der vor dem großen Oxidationsereignis existierte, einer gewissen Menge Sauerstoff ausgesetzt war.

Markus Thiemens an der University of California, San Diego, und seine Kollegen zermahlen Quarzgestein und setzten es Wasser unter chemischen Bedingungen aus, die denen auf der Erde vor hohen Sauerstoffkonzentrationen ähneln. Die Forscher verwendeten Quarz, weil es das einfachste und häufigste Silikatmineral ist.

Sie fanden heraus, dass die zerbrochenen Kristalle auf der Oberfläche von Quarz mit Wasser reagieren können, um molekularen Sauerstoff und andere reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid zu bilden. Diese auch als freie Radikale bekannten Moleküle wären für die frühe Evolution von entscheidender Bedeutung gewesen, da sie die DNA und andere Zellbestandteile schädigen können, sagt er Timotheus Lyon an der University of California, Riverside, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

„Das Leben konnte sehr früh die enzymatischen Fähigkeiten entwickeln, um mit den schädlichen Auswirkungen dieser Arten fertig zu werden“, sagt er.

In der Natur können Quarz und andere Silikatminerale in ähnlicher Weise durch Erdbeben, Erosion oder sich bewegendes Eis abgetragen werden. Sie könnten dann mit Wasser interagieren, um dieselben Sauerstoffmoleküle zu produzieren. Die Forscher schätzten, dass allein seismische Prozesse 100 Milliarden Mal mehr Wasserstoffperoxid erzeugt haben könnten als atmosphärische Reaktionen, eine weitere mögliche Quelle für abiotischen Sauerstoff.

Anpassungen an diese seismische Sauerstoffquelle könnten einigen Organismen geholfen haben, die radikale Veränderung in der Chemie der Erde zu überleben, die das Große Oxidationsereignis Hunderte Millionen Jahre später begleitete, sagt Lyons.

Die Forscher fügen hinzu, dass ähnliche geologische Prozesse auf anderen Planetenkörpern, wie Sandstürme auf dem Mars oder Gezeitenschwankungen auf dem Saturnmond Enceladus, ebenfalls Sauerstoff produzieren könnten, was ein wichtiger Faktor für die Entdeckung von Leben auf diesen Welten sein könnte.