Die Erdatmosphäre besteht zu etwa 78 % aus Stickstoff und zu 21 % aus Sauerstoff sowie Spuren anderer Gase. Sauerstoff ist für alles tierische Leben und für viele andere Organismen lebensnotwendig. Da das Gas von sauerstoffatmenden Lebewesen verbraucht wird und zudem mit vielen Gesteinen und Mineralien reagiert, muss es ständig nachgefüllt werden. Etwa 98% des Luftsauerstoffs stammen aus der Photosynthese, dem Prozess, bei dem Pflanzen aus Kohlendioxid und Wasser Zucker herstellen. Der Rest resultiert aus dem Aufbrechen von Wasser durch ultraviolette Strahlung.
Photosynthese
Pflanzen und einige Bakterien nutzen Photosynthese, um Nahrung in Form von Zucker und anderen energiereichen Substanzen herzustellen. Wasser und Kohlendioxid werden vom Organismus aufgenommen und Sonnenlicht liefert Energie, die den Prozess antreibt. Sauerstoff ist ein sehr nützliches Nebenprodukt. Soweit Wissenschaftler sagen können, ist der Sauerstoffgehalt auf der Erde seit mehreren hundert Millionen Jahren ziemlich stabil geblieben. Dies weist darauf hin, dass die Sauerstoffproduktion durch Photosynthese mehr oder weniger durch den Verbrauch durch andere Prozesse wie Sauerstoffatmung oder aerobe Lebensformen und chemische Reaktionen ausgeglichen wurde.
Die Quellen für atmosphärischen Sauerstoff durch Photosynthese sind Phytoplankton, wie Cyanobakterien im Meer, sowie Bäume und andere grüne Pflanzen an Land. Die Menge, die jede Quelle beisteuert, ist umstritten: Einige Wissenschaftler gehen davon aus, dass beispielsweise mehr als die Hälfte aus den Ozeanen stammt, während andere die Zahl eher auf ein Drittel schätzen. Klar ist, dass die Zahlen über die geologische Zeit hinweg schwankten, abhängig von der Bilanz des Lebens auf der Erde. Bei der Entstehung der Atmosphäre trugen beispielsweise Cyanobakterien den größten Teil des Sauerstoffs bei.
Der Anstieg des Sauerstoffgehalts
Es wird vermutet, dass der von Cyanobakterien produzierte Sauerstoff zunächst verbraucht wurde, um mit Eisen in Böden, Gesteinen und im Meer zu reagieren und Eisenoxidverbindungen und Mineralien zu bilden. Geologen können den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre in der Antike abschätzen, indem sie sich die Art der Eisenverbindungen in Gesteinen ansehen. In Abwesenheit von Sauerstoff neigt Eisen dazu, sich mit Schwefel zu verbinden und Sulfide wie Pyrite zu bilden. Wenn es jedoch vorhanden ist, zersetzen sich diese Verbindungen und das Eisen verbindet sich mit Sauerstoff zu Oxiden. Infolgedessen weisen Pyrit in alten Gesteinen auf niedrige Sauerstoffgehalte hin, während Oxide auf das Vorhandensein erheblicher Mengen des Gases hinweisen.
Nachdem sich der größte Teil des verfügbaren Eisens mit Sauerstoff verbunden hatte, konnte sich das Gas in der Atmosphäre anreichern. Es wird angenommen, dass die Werte vor etwa 2.3 Milliarden Jahren von einer winzigen Spur auf etwa 1% der Atmosphäre angestiegen waren. Die Dinge schienen sich dann für eine lange Zeit auszugleichen, als sich andere Organismen entwickelten, um Sauerstoff zu verwenden, um Energie durch die Oxidation von Kohlenstoff bereitzustellen, wodurch Kohlendioxid (CO2) entsteht. Sie erreichten dies durch den Verzehr von kohlenstoffreichem organischem Pflanzenmaterial, entweder lebend oder tot. Dadurch wurde ein Gleichgewicht geschaffen, bei dem die Sauerstoffproduktion durch Photosynthese dem Verbrauch durch sauerstoffatmende Organismen entsprach.
Es scheint, dass die Photosynthese allein aufgrund dieses Gleichgewichts den anfänglichen Anstieg des Sauerstoffs nicht erklären kann. Eine Erklärung ist, dass einige tote organische Stoffe in Schlamm oder anderen Sedimenten vergraben wurden und für aerobe Organismen nicht verfügbar waren. Diese Materie konnte sich nicht mit Luftsauerstoff verbinden, so dass nicht das gesamte produzierte Element auf diese Weise verbraucht wurde, wodurch der Gehalt ansteigen konnte.
Irgendwann später in der Erdgeschichte stieg der Sauerstoffgehalt dramatisch auf etwa seinen heutigen Wert an. Einige Wissenschaftler glauben, dass dies vor etwa 600 Millionen Jahren passiert sein könnte. Zu dieser Zeit tauchten sehr viele relativ große, komplexe, vielzellige Organismen auf, die viel höhere Sauerstoffkonzentrationen benötigt hätten. Es ist jedoch nicht klar, was diese Änderung verursacht hat. Interessanterweise geschah dies, als die Erde aus einer massiven Eiszeit hervorging, in der der größte Teil des Planeten von Eis bedeckt war.
Eine Theorie besagt, dass die Einwirkung von Gletschern beim Vordringen und Rückzug phosphorreiches Gestein zermahlen und riesige Mengen davon in die Ozeane freisetzten. Phosphor ist ein essentieller Nährstoff für Phytoplankton, daher könnte dies zu einer Explosion dieser Lebensform geführt haben. Dies würde wiederum zu einer erhöhten Sauerstoffproduktion führen, die wahrscheinlich nur sehr wenig Landleben benötigt, um ihn zu verbrauchen. Nicht alle Wissenschaftler stimmen dieser Theorie jedoch zu, und ab 2012 bleibt das Problem ungelöst.
Bedrohungen des atmosphärischen Sauerstoffgehalts
Eine Studie hat gezeigt, dass der Sauerstoffgehalt zwischen 1990 und 2008 insgesamt um etwa 0.0317 % abnahm. Dies wird hauptsächlich auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe zurückgeführt, die bei der Verbrennung Sauerstoff verbrauchen. Der Rückgang ist jedoch geringer als erwartet angesichts der Menge an fossilen Brennstoffen, die in diesem Zeitraum verbrannt wurden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass ein erhöhter Kohlendioxidgehalt, möglicherweise in Kombination mit der Verwendung von Düngemitteln, ein schnelleres Pflanzenwachstum und mehr Photosynthese gefördert hat, wodurch der Verlust teilweise kompensiert wird. Es wird geschätzt, dass selbst wenn alle fossilen Brennstoffreserven der Welt verbrannt würden, dies nur einen sehr geringen direkten Einfluss auf den Sauerstoffgehalt hätte.
Abholzung ist ein weiteres beliebtes Anliegen. Obwohl die Zerstörung großer Regenwaldgebiete viele andere schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt hat, wird davon ausgegangen, dass sie den Sauerstoffgehalt nicht signifikant reduzieren wird. Neben Bäumen und anderen Grünpflanzen unterstützen Regenwälder eine ganze Reihe von sauerstoffatmenden Lebewesen. Es scheint, dass diese Wälder insgesamt nur sehr wenig zum atmosphärischen Sauerstoffgehalt beitragen, da sie fast so viel Sauerstoff verbrauchen, wie sie produzieren.
Eine ernstere Bedrohung können die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf das Phytoplankton sein, das einigen Quellen zufolge den größten Beitrag zum globalen Sauerstoffgehalt leistet. Es besteht die Sorge, dass ein erhöhter Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe die Ozeane wärmer und saurer machen könnte, was die Menge an Phytoplankton reduzieren könnte. Ab 2012 sind die Beweise unklar, da verschiedene Arten von Phytoplankton unterschiedlich betroffen sind. Einige können zahlenmäßig abnehmen, während andere schneller wachsen und Photosynthese betreiben.