Im Wechsel von Hitze und Kälte

Klimatisch herrschten nach der Großen Sauerstoffkatastrophe lange Zeit äußerst lebensfeindliche Bedingungen. Denn die Cyanobakterien hatten durch ihre Sauerstofffreisetzung nicht nur die meisten ihrer Zeitgenossen ausgerottet, sondern außerdem der Atmosphäre so viel CO₂ entzogen, dass der Treibhauseffekt immer schwächer wurde. Somit wurde es immer kälter und es folgte eine erste Eiszeit, die mehr als 200 Millionen Jahre lang andauerte. Immer wieder waren während dieser Zeit weite Teile der Ozeane von Eis bedeckt. Dadurch verringerte sich jeweils die bakterielle Aktivität dort, sodass der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre wieder ansteigen und das Klima erwärmen konnte. Sobald jedoch das Eis schmolz, kam auch die Photosynthese wieder in Gang, der CO₂-Gehalt sank wieder und die Ozeane vereisten erneut.

Die junge Sonne strahlte damals noch schwächer als heute und wurde erst mit zunehmendem Alter stärker. Erst als sie etwa 85 Prozent ihrer heutigen Strahlungsleistung erreicht hatte, war sie stark genug, um das fehlende Kohlendioxid auszugleichen. Womöglich könnte auch ein Meteoriteneinschlag in Westaustralien große Mengen Eis plötzlich in Wasserdampf verwandelt haben, der daraufhin den Treibhauseffekt verstärkte. Auf der Erde wurde es wieder wärmer. In den folgenden Hunderten Millionen Jahren entwickelten sich die Bakterien weiter und vor rund 1,8 Milliarden Jahren entstanden die ersten Lebewesen mit Zellkern, die Eukaryoten. Fast eine Milliarde Jahre lang blieben die globalen Kohlenstoffkreisläufe weitgehend stabil. Eukaryoten und aerobe Bakterien veratmeten Sauerstoff und produzierten CO₂, das photosynthetische Organismen wiederum in Zucker und Sauerstoff umwandelten. Evolutionär gilt diese Zeit als die „langweilige Milliarde“. Denn offenbar gab es wenig Selektionsdruck, der zu neuen Entwicklungen und Anpassungen geführt hätte.

Das änderte sich vor rund 720 Millionen Jahren. Aus bislang nicht vollständig geklärten Ursachen kam es zur wahrscheinlich heftigsten Eiszeit der Erdgeschichte. Eine Rolle könnte dabei gespielt haben, dass der von Lebewesen aufgenommene Kohlenstoff nach deren Tod nicht wieder vollständig in die Atmosphäre gelangte, sondern sich stattdessen als organisches Material am Meeresgrund ablagerte und somit langfristig gebunden blieb. Auch wenn die Strahlkraft der Sonne weiterhin zunahm, konnte sie den verringerten Treibhauseffekt nicht mehr ausgleichen. Ebenso könnten heftige Vulkanausbrüche, die ihre Asche bis in hohe Schichten der Atmosphäre schleuderten und so weniger Sonnenlicht zur Erdoberfläche durchließen, beteiligt gewesen sein.

Was auch immer die Ursache war: Unser Planet kühlte sich so weit ab, dass er zeitweise nahezu vollständig vergletscherte. Gesteinsablagerungen aus dieser Zeit lassen darauf schließen, dass die Eismassen bis zum Äquator reichten. Es entstand eine Schneeball-Erde, auf der nicht nur das Leben weitgehend zum Erliegen kam, sondern auch die meisten Wetterphänomene. In der kalten, trockenen Luft fiel kein Regen oder Schnee mehr und die Eisschicht auf den Ozeanen unterband den Gasaustausch zwischen den Weltmeeren und der Atmosphäre. Zugleich reflektierte das helle Eis viel Sonnenlicht zurück ins All und sorgte damit für zusätzliche Abkühlung.

Startschuss für komplexes Leben

Mit der Zeit gelangte durch vulkanische Aktivität wieder mehr CO₂ in die Atmosphäre und konnte sich dort ungehindert anreichern, da die Pufferwirkung der Ozeane wegfiel. So erreichte die CO₂-Konzentration Werte, die Schätzungen zufolge 20- bis 200-mal so hoch lagen wie die heutigen. Vor rund 635 Millionen Jahren wurde es dadurch wieder wärmer. Es folgte ein rapider Klimawandel. Denn kaum begann das Eis zu schmelzen, nahmen die dunklen Wassermassen wieder verstärkt Sonnenenergie auf und beschleunigten das Abtauen damit weiter. Sedimentanalysen legen nahe, dass der Meeresspiegel innerhalb weniger Tausend Jahre um 1,5 Kilometer anstieg – teils mit einer Rate von mehr als 25 Zentimetern pro Jahr.

Auf das Leben hat die Erwärmung nach der eisigen Unterbrechung offenbar wie ein Neustart gewirkt. Fossilien der frühesten mehrzelligen Lebewesen aus dieser Zeit zeugen davon, wie die Evolution an Fahrt aufnahm. In einem zuvor wohl nie da gewesenen Tempo entstanden neue Arten, entwickelten sich weiter, spalteten sich auf oder starben wieder aus. Nach den widrigen Bedingungen der Eiszeit entstand nun immer mehr und komplexer werdendes Leben.

Neben den Cyanobakterien breiteten sich Algen aus, die ebenfalls dazu beitrugen, dass der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre und in den Ozeanen weiter anstieg. Damit herrschten erstmals Bedingungen, die die Entwicklung und das Überleben größerer Tiere ermöglichten. Vor rund 540 Millionen Jahren kam es zur Kambrischen Artenexplosion. Innerhalb weniger Millionen Jahre entstanden die Vorfahren aller heutigen Tierstämme.

Vom Wasser an Land

Zu diesem Zeitpunkt spielte sich das Leben abgesehen von einigen Einzellern noch vollständig im Wasser ab. Doch mit der durch den steigenden Sauerstoffgehalt wachsenden Ozonschicht wurde auch das Land bewohnbar. In einem ersten Schritt bewuchsen Algen feuchte Steine in Ufernähe. Es folgten Moose, die wahrscheinlich eine Symbiose mit Pilzen eingingen und überleben konnten, auch wenn sie zeitweise austrockneten. Die ältesten Sporen dieser frühen Landpflanzen wurden auf ein Alter von rund 480 Millionen Jahren datiert.

Nach und nach bedeckten Schichten aus abgestorbenem Pflanzenmaterial die zuvor steinig-karge Erdoberfläche. So entstand mit der Zeit ein fruchtbarer Boden, auf dem auch komplexere Pflanzen gedeihen konnten. Vor 380 Millionen Jahren wuchsen in vielen Teilen der Erde bereits riesige Wälder und wurden zu einem entscheidenden Klimafaktor. Durch ihre Photosynthese erhöhten sie den Sauerstoffanteil der Atmosphäre immer weiter, bis er vor rund 300 Millionen Jahre Spitzenwerte von rund 35 Prozent erreichte. Diese Bedingungen waren ideal für Insekten: Denn ihr Tracheensystem, das den Luftsauerstoff direkt in die verschiedenen Teile ihres Körpers leitet, funktioniert umso besser, je mehr Sauerstoff zur Verfügung steht. So konnten sich damals riesige Exemplare entwickeln, darunter Libellen mit Flügelspannweiten von mehr als 70 Zentimetern, die unter heutigen Bedingungen einfach ersticken würden.

Zugleich entzogen die Wälder der Atmosphäre jedoch viel CO₂ und bauten den Kohlenstoff in ihre Biomasse ein. Wenn die Bäume abstarben, verblieb der größte Teil des Kohlenstoffs im organischen Material und lagerte sich im Boden ab, wo er für Jahrmillionen gespeichert blieb und sich erst zu Braunkohle, dann zu Steinkohle wandelte. Einiges davon gelangt erst heute wieder in die Atmosphäre, wenn wir die aus den Resten dieser Urzeitwälder entstandenen fossilen Rohstoffe verbrennen. Damals jedoch fehlte das CO₂, sodass immer wieder Teile unseres Planeten vereisten.

Massensterben vor 252 Millionen Jahren

Die größte CO₂-Quelle der damaligen Zeit waren weiterhin Vulkane. Einhergehend mit Kontinentalverschiebungen kam es immer wieder zu Phasen stärkerer oder schwächerer vulkanischer Aktivität – jeweils verbunden mit Schwankungen des Treibhauseffekts und damit des Klimas auf der Welt. Wahrscheinlich waren es auch Vulkane, die vor 252 Millionen Jahren, an der Grenze zwischen Perm und Trias, das größte Massenaussterben der Erdgeschichte auslösten. Ausbrüche in Sibirien, China und weiteren Teilen der Welt schleuderten zunächst so viel Asche in die Luft, dass sich die Erde deutlich abkühlte. Doch als die Partikel, die die Sonne verdunkelten, schließlich zu Boden gesunken waren, machte sich ein extremer Treibhauseffekt durch das ausgestoßene Kohlendioxid bemerkbar.

Die globalen Temperaturen stiegen um etwa zehn Grad Celsius an und durch im Regenwasser gelöstes CO₂ versauerten die Weltmeere. Davon zeugen noch heute die Fossilien muschelartiger Lebewesen.

In den sauren Ozeanen wurden ihre Kalkschalen immer dünner und viele der kalkbildenden Organismen starben aus. An Land beschleunigten die hohen Temperaturen die Gesteinsverwitterung. Dadurch gelangten so viele Nährstoffe in die Meere, dass diese überdüngt wurden und der Sauerstoffgehalt kritisch abfiel – der Tod für 95 Prozent der Meeresbewohner. Auch die Landlebewesen litten unter der Hitze. Nur rund ein Viertel der Arten überlebte.

Doch Fossilfunde legen nahe, dass sich das Leben, nachdem es beinahe vollständig ausgelöscht worden wäre, erstaunlich schnell erholte. Nach einer auf geologischen Skalen kurzen Zeitspanne von nur einer Million Jahren lebten im Meer bereits wieder vielfältige Organismen, darunter neben Pflanzen und Weichtieren auch Garnelen, Hummer sowie räuberische Knochenfische und Rochen. Doch nur 50 Millionen Jahre später, am Übergang zwischen Trias und Jura, folgte das nächste Massenaussterben. Erneut sorgten Vulkane für einen extremen Ausstoß von Treibhausgasen und trieben damit die Temperaturen auf der Erde in die Höhe. Etwa 80 Prozent der Arten starben aus.

Aufstieg und Fall der Dinosaurier

Womöglich waren es gerade diese Apokalypsen, die den Weg für die Dinosaurier ebneten. Die ersten Exemplare hatten sich zwar bereits vor rund 230 Millionen Jahren entwickelt, also deutlich vor dem Massenaussterben, doch von ihrer weltbeherrschenden Position waren sie noch weit entfernt. Das Treibhausklima des Jura bot ideale Bedingungen für den Aufstieg der wechselwarmen Echsen. In den folgenden Millionen Jahren brachten sie immer mehr Arten hervor und verbreiteten sich auf dem gesamten Planeten.

Ihren Höhepunkt erreichte die Hitze in der Kreidezeit vor etwa 100 Millionen Jahren. Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre lag Schätzungen zufolge etwa fünf- bis zehnmal höher als heute, die globalen Durchschnittstemperaturen betrugen rund 25 Grad Celsius und in weiten Teilen der Welt herrschte ein tropisch-feuchtes Klima. Selbst an den Polen lagen die Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts. Für die damaligen Lebewesen war die Wärme jedoch kein Problem – im Gegenteil. Die Landflächen waren von reichhaltigen tropischen Urwäldern bedeckt, die eine riesige Artenvielfalt beherbergten, und auch in den Ozeanen tummelte sich das Leben, auch wenn in dem warmen Wasser nur wenig Sauerstoff gelöst war.

Da die vielfältige Pflanzenwelt der Atmosphäre nach und nach CO₂ entzog, kühlte sich das Klima über Jahrmillionen langsam ab. Bereits dadurch ging die Artenvielfalt der Dinosaurier gegen Ende der Kreidezeit zurück. Für ihr endgültiges Aus waren allerdings wahrscheinlich keine irdischen Prozesse verantwortlich. Ein Asteroiden-Einschlag in Mexiko schleuderte Staub und Aerosole in die Atmosphäre und verursachte vor 66 Millionen Jahren einen drastischen Temperatursturz.

Bohrkernuntersuchungen deuten darauf hin, dass bei dem Einschlag auch Schwefelverbindungen freigesetzt wurden, die als Schwefelsäuretröpfchen in der Atmosphäre über Jahrzehnte hinweg die Sonne verdunkelt und für eisige Temperaturen gesorgt haben könnten. In der Folge starben rund 75 Prozent der Arten aus, darunter auch die Dinosaurier.

Rapider Wandel

Der Tod der Dinosaurier markiert den Beginn des Känozoikums, der Erdneuzeit, des Zeitalters der Säugetiere. Zu Beginn dieser Zeit nahm der CO₂-Gehalt der Atmosphäre noch einmal durch vulkanische Aktivität zu und erreichte vor rund 50 Millionen Jahren einen Spitzenwert von rund 1.600 parts per million (ppm). Doch da sowohl die Verwitterung von Gestein als auch die Photosynthese der Pflanzen der Atmosphäre Kohlenstoff entziehen, ist die Konzentration des Treibhausgases seither mit kleinen Schwankungen so weit gesunken, dass vor rund 34 Millionen die Pole vereisten und bis heute von einer Eisschicht bedeckt sind.

In den letzten 2,5 Millionen Jahren – der Zeit, in der sich unsere Spezies entwickelt hat – lag der CO₂-Gehalt unterhalb von 280 ppm. Heute erreicht er einen Wert von 420 ppm. Studien zufolge lag er zuletzt vor rund 14 Millionen Jahren in diesem Bereich. Die Veränderung kam mit der Industrialisierung, als wir Menschen begannen, über Millionen Jahre abgelagertes kohlenstoffhaltiges Material zu verbrennen, um daraus Energie zu gewinnen. Durch die dadurch freigesetzten Mengen an Treibhausgasen haben wir uns selbst zum bedeutendsten Klimafaktor gemacht und sind dabei, unseren gesamten Planeten gravierend zu verändern. Unsere Atmosphäre war seit jeher von einem komplexen Wechselspiel mit dem Leben geprägt – doch nie zuvor lag ihre Entwicklung so sehr in den Händen einer einzigen Spezies. //