ProkaryotaProkaryota und und GlobalerGlobaler WandelWandel

ProkaryotaProkaryota und und GlobalerGlobaler WandelWandel::

Das Great Oxygenation EventDas Great Oxygenation Event

Banded Iron FormationBanded Iron Formation

Rezente Cyanobakterien

HammersleyHammersley--BeckenBecken, Australien; 2,5 Ga, Australien; 2,5 Ga

Sedimentgestein

R

Nature 400, 1999

Die ersten Die ersten CyanophytaCyanophyta: : OxigeneOxigene Photosynthese!Photosynthese!

Ab ca. vor 2600 Millionen Jahren kommt es unter Beteiligung von Ab ca. vor 2600 Millionen Jahren kommt es unter Beteiligung von SulfatSulfat--

Ionen zur Anaeroben Oxidation von Methan und damit zu einem Ionen zur Anaeroben Oxidation von Methan und damit zu einem

signifikanten Einbruch in der Methankonzentration der Atmosphsignifikanten Einbruch in der Methankonzentration der Atmosphääre. re.

Das entstehende CODas entstehende CO22 hat einen wesentlich geringeren Treibhaushat einen wesentlich geringeren Treibhaus--Effekt. Effekt.

Durch die aerobe Photosynthese der sich rapide entwickelnden Durch die aerobe Photosynthese der sich rapide entwickelnden

CyanobakterienCyanobakterien wird das COwird das CO22 rasch rasch remineralisiertremineralisiert. .

„„Great Oxydation EventGreat Oxydation Event““

Seit ca. 2.7 Ga gibt es Seit ca. 2.7 Ga gibt es CyanobakterienCyanobakterien (Biomarker), die eine (Biomarker), die eine oxygeneoxygenePhotosynthese betreiben und dabei Sauerstoff freisetzen.Photosynthese betreiben und dabei Sauerstoff freisetzen.

„„Great Oxydation EventGreat Oxydation Event““: M: Möögliche Tgliche Tääterter

Anaerobe Oxidation von Anaerobe Oxidation von MethanMethan (AOM) (AOM) durchdurch MethanotropheMethanotrophe ArchaeaArchaea (ANME)(ANME)und und SulphatreduktionSulphatreduktion via via sulfatreduzierendesulfatreduzierende BakterienBakterien (SRB) (SRB)

CH4+ SO42- → HCO3

- + HS- + H2OCa2+ + 2HCO3

- → CaCO3 + 2H+

ANME2-Archaeon

Greigit-SRB

Elektronen-Shuttle:ANME 8e- SR

Ab vor ca. 2.6 Ga kommt es unter Beteiligung von SulfatAb vor ca. 2.6 Ga kommt es unter Beteiligung von Sulfat--Ionen zur Anaeroben Oxidation Ionen zur Anaeroben Oxidation von Methan und damit zu einem Einbruch in der Methankonzentratiovon Methan und damit zu einem Einbruch in der Methankonzentration der Atmosphn der Atmosphääre. re.

„„Great Oxydation EventGreat Oxydation Event““: M: Möögliche Tgliche Tääterter

SedimentSedimentääre/geochemischere/geochemische Trends um 2.4 GaTrends um 2.4 Ga

MolybdenMolybden und Schwefelund Schwefel

Warum 0,5 Ga verzWarum 0,5 Ga verzöögert? gert? BIFsBIFs

Warum 0,5 Ga verzWarum 0,5 Ga verzöögert? Nickelgert? Nickel--Abreicherung!Abreicherung!

Die ersten Die ersten CyanophytaCyanophyta sind auf 2,7 Ga datiert.sind auf 2,7 Ga datiert.Warum kam es erst 500 Ma spWarum kam es erst 500 Ma spääter zum GOE?ter zum GOE?

KO KO KonhauserKonhauser et al. et al. NatureNature 458458, 750, 750--753 (2009) doi:10.1038/nature07858753 (2009) doi:10.1038/nature07858

““Nickel FamineNickel Famine””

KO KO KonhauserKonhauser et al. et al. NatureNature 458458, 750, 750--753 (2009) doi:10.1038/nature07858753 (2009) doi:10.1038/nature07858

Maximum dissolved Ni Maximum dissolved Ni concentrations in sea water through time.concentrations in sea water through time.

Biologische UmwBiologische Umwäälzungen und die Folgenlzungen und die Folgen

HuronianHuronian dropstonedropstone fromfrom Ontario (Ontario (GowgandaGowganda Formation) Formation)

HuronianHuronian GlaciationGlaciation (2.4 (2.4 –– 2.2 Ga)2.2 Ga)

SedimentSedimentääre/geochemischere/geochemische Trends um 2.4 GaTrends um 2.4 Ga

Banded Iron Formations Banded Iron Formations -- BBäändereisenerzendereisenerze

z.Bz.B. . HammerslyHammersly Basin (Basin (AustralienAustralien))

Hamersley BIF (Australia): ~2.5 Hamersley BIF (Australia): ~2.5 GaGa, 100 000 km2; 108 Mt, 100 000 km2; 108 Mt

Banded Iron FormationsBanded Iron Formations

Superior Type:Superior Type:WechselWechsel mitmit SiO2 SiO2 reichenreichen und Feund Fe--reichenreichen LagenLagenHHäämatitmatit, , MagnetitMagnetit, , SideritSiderit

AblagerungsAblagerungs--MillieuMillieu::UnterhalbUnterhalb derder SturmwellenbasisSturmwellenbasis, , nichtnicht imim strströömungsagiertenmungsagierten MillieuMillieu!!

HerkunftHerkunft des des EisensEisens: Fe 2+ : Fe 2+ ausaus hydrothermalenhydrothermalen ExhalationenExhalationen

StratigraphischeStratigraphische VerbreitungVerbreitung derder BIFsBIFs

StratigraphischeStratigraphische VerbreitungVerbreitung derder BIFsBIFs

Oxygene Photosynthese

BIFBIF--StromatolithStromatolith, Michigan, 2,2 Ga, Michigan, 2,2 Ga

Entstehung der Entstehung der BIFsBIFs: Klassischer Blick: Klassischer Blick

Absorption und WassertiefeAbsorption und Wassertiefe

KapplerKappler A et al. Geology 2005;33:865A et al. Geology 2005;33:865--868868

KapplerKappler A et al. Geology 2005;33:865A et al. Geology 2005;33:865--868868

Entstehung von Entstehung von BIFsBIFs: : AnoxygeneAnoxygene PhotosynthesePhotosynthese

„„RhodobacterRhodobacter ferrooxidansferrooxidans““ SW2SW2

PurplePurple non non sulfursulfur bacteriabacteria

Fe(II)Fe(II)--oxidation by photoautotrophic bacteria:oxidation by photoautotrophic bacteria:

4 Fe4 Fe2+ 2+ + CO+ CO22 + 11 H+ 11 H22O 4 Fe(OH)O 4 Fe(OH)3 3 + (CH+ (CH22O) + 8 HO) + 8 H++hν

Fe2+ Fe(OH)3

„„RhodobacterRhodobacter ferrooxidansferrooxidans““ SW2SW2

Fe(IIFe(II) Oxidation und Temperatur) Oxidation und Temperatur

pH pH ––AbhAbhäängigkeitngigkeit ChlorobiumChlorobium ferrooxidansferrooxidans

BIFsBIFs: organisch vs. anorganisch: organisch vs. anorganisch

BIFBIF--EntstehungEntstehung

a) a) TheThe classicalclassical modelmodel: : freefree oxygenoxygen, , ultimatelyultimately derivedderived fromfrom oxygenicoxygenicmicrobialmicrobial photosynthesisphotosynthesis, , precipitatesprecipitatesiron iron oxidesoxides fromfrom a a stratifiedstratified oceanocean. . Iron Iron carbonatecarbonate (FeCO(FeCO33) ) formsforms in in intermediateintermediate environmentsenvironments betweenbetweendeepdeep-- and and shallowshallow--waterwater

b) b) IronIron--carbonatecarbonate formationformation underunderanaerobicanaerobic conditionsconditions fromfrom a a stratifiedstratifiedoceanocean withwith a COa CO22--rich rich upperupper layerlayer. . PhotosynthesisPhotosynthesis isis anoxygenicanoxygenic and no and no iron iron oxidesoxides areare precipitatedprecipitated

c) A c) A recentrecent modelmodel thatthat requiresrequiresdissolveddissolved ferrousferrous iron to iron to bebe presentpresent in in thethe euphoticeuphotic zonezone forfor oxidationoxidation bybyanaerobicanaerobic photosyntheticphotosynthetic bacteriabacteria in in thethe openopen oceanocean. In a and b, . In a and b, depositiondepositionof of thethe iron iron mineralsminerals isis decoupleddecoupled fromfromprimaryprimary biologicalbiological productivityproductivity; in c ; in c ititisis directlydirectly coupledcoupled. .

Und Und nochnoch einein ModellModell……..

Secular distribution of SuperiorSecular distribution of Superior--type banded iron formation (BIF) and Rapitantype banded iron formation (BIF) and Rapitan--type iron formation type iron formation during Preduring Pre--cambrian Era plotted as amount of iron formation in billion metrcambrian Era plotted as amount of iron formation in billion metric tonnes (Gt), ic tonnes (Gt), integrated over time intervals of 100 m.y.integrated over time intervals of 100 m.y.

Slack J F , Cannon W F Geology 2009;37:1011Slack J F , Cannon W F Geology 2009;37:1011--10141014

Und Und nochnoch einein ModellModell……Sudbury Sudbury ImpaktImpakt

Und Und nochnoch einein ModellModell……Sudbury Sudbury ImpaktImpakt

Shatter ConesShatter Cones

Sudbury Sudbury BrekzieBrekzie

Und Und nochnoch einein ModellModell……..

MolybdenMolybden undund-- SchwefelSchwefel

SulphatSulphat--KonzentrationKonzentration und und δδ1313CC--WerteWerte

PhosphorPhosphor--Limitierung durch EisenLimitierung durch Eisen

DissolvedDissolved ferrousferrous iron (Feiron (Fe2+2+) ) isis oxidizedoxidized at at thethe basebase of of thethe oxicoxic mixedmixed layerlayer, , leadingleading to iron to iron oxideoxide burialburial((FFFe,oxFe,ox = = FFFe,inFe,in) and ) and BIFsBIFs withwith adsorbedadsorbed P (P (FFP,adsP,ads). ). OrganicOrganic matter matter exportexport productionproduction (EP) (EP) isis limitedlimited bybyupwelledupwelled P and P and leadsleads to to thethe burialburial of of organicallyorganically derivedderived phosphatephosphate ((FFP,org+CFAP,org+CFA). For ). For simplicitysimplicity, , ferrousferrous iron iron isis assumedassumed to to bebe buriedburied ((FFFe,redFe,red) ) withoutwithout associatedassociated phosphatephosphate. . TheThe total total reactivereactive iron iron inputinput, , FFFe,inFe,in, , isis thethesumsum of iron of iron fromfrom land (land (dissolved+particulatedissolved+particulate) and hydrothermal iron. ) and hydrothermal iron.

Der Der proterozischeproterozische OzeanOzean

SulfatSulfat--EntwicklungEntwicklung imim MeerwasserMeerwasser

Fe zu HFe zu H22SS--OzeanOzean

Bedeutung der Bedeutung der CyanophytaCyanophyta

1. Ozeanische Evolution1. Ozeanische EvolutionOO22--Abgabe ins Wasser: Entstehung von BIF (FeAbgabe ins Wasser: Entstehung von BIF (Fe2+2+ zu Fezu Fe3+3+)?)?Das kann sein, muss aberDas kann sein, muss aberSoda zu Soda zu NaClNaCl Ozean? Karbonatfixierung Ozean? Karbonatfixierung

2. Atmosph2. Atmosphäärische Evolutionrische EvolutionOO22--Abgabe Wasser Abgabe Wasser i.di.d. Luft:. Luft: OO22--AtmospAtmospääre, Ozonschichtre, Ozonschicht

3. Sediment3. Sedimentääre Evolutionre EvolutionOO22--Abgabe Wasser Abgabe Wasser i.di.d. Luft: Rotsedimente, S. Luft: Rotsedimente, S--KreislaufKreislauf

4. Biotische Revolution4. Biotische RevolutionOxidierendes Milieu: erstes Massensterben Oxidierendes Milieu: erstes Massensterben anaroberanarober OrganismenOrganismenneue Zellwandtypen, neue Zellwandtypen, MehrzellerMehrzeller