Sauerstoff ist das Elixier des Lebens. Mit seiner Hilfe können komplexe Lebewesen Energie gewinnen; diese lässt Herzen schlagen, Synapsen feuern, Muskeln kontrahieren.

Doch das war nicht immer so. Die Uratmosphäre enthielt nur sehr geringe Konzentrationen an freiem Sauerstoff. Die Fährte des Elements O von der Geburt der Erde bis heute zu verfolgen gleicht einer Detektivarbeit. Über die Jahrmillionen hinterließ es Spuren, wandelte seine Form, verflüchtigte sich. Schon lange versuchen Forscher das Rätsel zu lösen, wann es wie viel Sauerstoff auf der Welt gab.

Als er vor etwa 2,5 Milliarden Jahren zum ersten Mal in größerer Menge auftauchte, forderte der Sauerstoff zunächst unzählige Opfer. Das hochreaktive Gas war reines Gift für die Lebewesen, die damals in den Meeren schwammen. Diese "Anaerobier" hatten sich schließlich in einer Welt ohne Sauerstoff entwickelt. Das Lebenselixier von heute löste damals das erste Massensterben der Erdgeschichte aus, in der Fachliteratur wird es auch als Große Sauerstoffkatastrophe bezeichnet.

Woher das Gas kam? Von innovativen Einzellern, den Cyanobakterien. Sie hatten als erste Organismen eine Form der Fotosynthese entwickelt, bei der Sauerstoff als Abfallprodukt anfiel. Aus dem Wasser ging das Gas in die Luft über. Auf den Kontinenten reagierte es blitzschnell, unter anderem mit gelöstem Eisen, das in vielen Gesteinen vorkam. Die roten Spuren dieses großen Rostens finden Geologen noch heute, etwa in Erzformationen in Westaustralien und Südafrika.

Als es nichts mehr zu oxidieren gab, reicherte sich freier Sauerstoff in der Luft und im Wasser an, bis er eine Konzentration erreicht hatte, die die Welt veränderte. Nun war so viel davon in den Meeren, dass sich dort Lebensformen entwickelten, die auf Sauerstoff basierten. Aber erst vor 700 bis 800 Millionen Jahren gingen aus diesen "Aerobiern" dann auch komplexe Organismen hervor – so lautete die Annahme bisher.

Die Details aber sind rätselhaft. Von einem neuen Versuch, der Sauerstoffanreicherung auf die Spur zu kommen, berichten nun Daniel Stolper und Brenhin Keller von der Universität Berkeley im Fachmagazin Nature. Sie haben in die Tiefsee geblickt und mehr als 2.000 Messungen von vulkanischem Basaltgestein zusammengetragen, das sich einst auf dem Meeresgrund gebildet hatte. Die ältesten dieser Proben waren 3,5 Milliarden, die jüngsten 14 Millionen Jahre alt.

Das abgekühlte, eisenhaltige Basaltgestein wurde in der Folge vom Meerwasser umspült. Je nach Sauerstoffgehalt des Wassers oxidierte ein kleinerer oder größerer Teil des Eisens im Basalt. Für jede Probe bildeten die Wissenschaftler nun das Verhältnis von oxidiertem zu nicht oxidiertem Eisen. Daraus errechneten sie, welchen Sauerstoffgehalt das Meerwasser zu welchem Zeitpunkt gehabt haben muss.

Die Arbeit setze neue Maßstäbe, meint der Geoforscher David De Vleeschouwer von der Universität Bremen: "Die Ergebnisse sagen uns etwas über einen Teil der Erde, über den wir sehr wenig wissen. Bisher basierten die meisten Theorien auf Messungen in den Randgebieten der Kontinente und somit im flachen Wasser."

Stolper und Keller kommen in ihrer Publikation zu einem überraschenden Ergebnis: Der Sauerstoffgehalt ist ihren Daten zufolge erst vor 541 bis 420 Millionen Jahren deutlich angestiegen – lange nach dem Auftreten mehrzelliger Lebewesen im Meer. War deren Entwicklung womöglich unabhängig von diesem Anstieg? Das postulieren die Autoren. Und es widerspricht der Lehrmeinung. Vielleicht ist die Tiefsee aber auch einfach ein Sonderfall, meint David De Vleeschouwer: "Die meisten Organismen entwickelten sich in höheren Wasserschichten, weil es dort Licht gab."

Wie essenziell die richtige Sauerstoffkonzentration für das Leben ist, zeigen aktuelle Beobachtungen. Meeresforscher listen in Science Ozeanregionen auf, in denen Sauerstoff fehlt, weil die Wassertemperatur hoch ist und Flüsse viele Nährstoffe ins Meer spülen. Autor Andreas Oschlies vom Forschungszentrum Geomar in Kiel warnt vor einer "Einschränkung des Lebensraums für Fische, Krebse und Muscheln". In diesen Todeszonen könnte eine neue Sauerstoffkatastrophe heraufziehen – diesmal durch den Mangel des Elements.