Wie kam der Sauerstoff in die Luft?

Pro Tag atmen wir rund 2500 Liter Sauerstoff ein und wir können nur ganz kurze Zeit ohne ihn auskommen. Doch was ist Sauerstoff genau? Wie ist er entstanden und was passiert damit in unserem Körper? Eine Annäherung.

Illustrationen: www.ventdouest.ch


20,95 Prozent. So hoch ist der Volumenanteil an molekularem Sauerstoff (O2) in der Luft, die wir tagtäglich einatmen. Dies war jedoch nicht immer so. Nach ihrer Entstehung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren war die Erde lange Zeit ein glühend heisser, ungemütlicher Planet. 

 


Erst nach und nach kühlte sie sich ab, es bildeten sich eine Erdkruste, Ozeane und eine Atmosphäre, die jedoch noch keinen Sauerstoff enthielt. Dieser entstand anderswo: Winzige Cyanobakterien, ähnlich den heutigen Blaualgen, begannen vor etwa 3,5 Milliarden Jahren in den Ozeanen, die Energie des Sonnenlichts in chemische Energie zu verwandeln, indem sie Sauerstoff von Wasser und Kohlenstoffdioxid abspalteten und so das Ozeanwasser mit freiem Sauerstoff anreicherten. Dies wiederum ermöglichte die Entwicklung von weiteren, auch komplexeren Organismen, die ebenfalls Fotosynthese betrieben und freien Sauerstoff produzierten.

Ein reaktionsfreudiges Element

Oxygenium, wie Sauerstoff auch genannt wird, ist ein chemisches Element mit dem Symbol O. Er tritt überwiegend als Verbindung aus zwei Sauerstoffatomen (O2) auf, es gibt ihn jedoch auch in dreiatomiger Form (O3), besser bekannt unter dem Namen Ozon. Sauerstoff ist ein geruch- und farbloses Gas, das als hellblaue Flüssigkeit kondensiert. Da er sehr reaktionsfreudig ist und sich gerne mit anderen Gasen und verschiedenen chemischen Elementen in Gesteinen verbindet, dauerte es in der Atmosphäre einiges länger, bis sich auch dort Sauerstoff anreicherte. 
Erst als ihm vor etwa 2,4 Milliarden Jahren die Reaktionspartner ausgingen, stieg der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre an. In der Folge begannen Pflanzen, auch das Land zu besiedeln. Durch Fotosynthese wandelten sie Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) mithilfe von Sonnenlicht in Glukose und Sauerstoff um, was wiederum die O2-Konzentration erhöhte. Dies sowie die Bildung der Ozonschicht, welche die Erde vor den schädlichen UV-Strahlen der Sonne schützt, ermöglichten die Entwicklung von komplexen Lebensformen wie Reptilien, Amphibien, Vögeln und Säugetieren.

Fotosynthese rückwärts

Doch was geschieht nun mit dem Sauerstoff, den wir einatmen? Unsere Lunge gleicht einem Baum, der auf dem Kopf steht und sich nach unten immer weiter verästelt; die Bronchien werden zu den feineren Bronchiolen, an deren Ende rund 300 Millionen Lungenbläschen, auch Alveolen genannt, hängen. 
Beim Einatmen gelangt der Sauerstoff aus der Atemluft bis zu diesen Lungenbläschen, die von unzähligen feinen Blutgefässen, den Kapillaren, umgeben sind. Dort findet der Gasaustausch statt: Das sauerstoffarme Blut nimmt O2 auf, gleichzeitig gibt es CO2 ab, welches wir ausatmen. Das Blut transportiert den Sauerstoff bis zu den Zellen, welche diesen sowie aus der Nahrung gewonnene Glukose zu CO2 und Wasser abbauen. Dieser biochemische Vorgang der Zellatmung setzt Energie frei, die in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gebunden wird. Und ATP ist der Treibstoff des menschlichen Körpers schlechthin: Er braucht es für alle Prozesse, von der Bewegung über die Hirnaktivität bis hin zur Verdauung.

Dieser Text entstand mit der fachlichen Unterstützung von Prof. Dr. Matthias Erb, Professor für Biotische Interaktionen am Institut für Pflanzenwissenschaften der Universität Bern, sowie Prof. Dr. Klaus Mezger, Professor für Geochemie am Institut für Geologie der Universität Bern.

 

Zahlen und Fakten 

Es gibt einige mikroskopisch kleine Lebewesen, die ohne molekularen Sauerstoff (O2) leben können. Diese sogenannten anaeroben Mikroben leben typischerweise in sauerstoffarmen Umgebungen wie etwa Sümpfen oder Sedimenten. 

Der Weltrekord im Zeittauchen liegt bei 11.35 Minuten, aufgestellt hat ihn der Franzose Stéphane Mifsud 2009. Genauso wenig wie im Wasser können wir in grosser Höhe überleben. Ab 8000 Metern über Meer ist die Sauerstoffkonzentration so gering, dass ein Mensch dort kaum mehr als 48 Stunden am Leben bleibt. 

Die Menge an Sauerstoff, welche ein Baum tagtäglich produziert, hängt von diversen Faktoren wie Art, Alter und Holzdichte ab. Im Durchschnitt reicht die Sauerstoffproduktion eines Baumes jedoch für zwei Menschen