Atmung

Lebenselexier Sauerstoff

Der erste Sauerstoff in Wasser und Luft

Woher kommt der Sauerstoff in unserer Luft?

Fast jedes Kind weiß es: von den Pflanzen. Diese produzieren Sauerstoff und die Tiere verbrauchen ihn.

Nun, heute stimmt das im Groben immer noch, abgesehen davon, dass man heute ja nicht mehr von einer Nettoproduktion sprechen kann. Der Sauerstoff, der von den Pflanzen produziert wird, wird in dem Moment, in dem die Pflanzen gefressen und verdaut werden oder verbrannt werden, wieder verbraucht. D.h. Sauerstoffproduktion und -verbrauch halten sich die Waage.

Produziert man aus dem Holz von Bäumen einen Schrank, so bleibt eine Nettoproduktion von Sauerstoff übrig, aber sowie er verbrannt wird oder auf andere Weise zu CO₂ und Wasser abgebaut wird, ist der einmal produzierte Sauerstoff auch wieder verbraucht.

Woher kommen also die riesigen Mengen Sauerstoff in der Luft, die dort heute vorhanden sind? Das ist nun eine sehr lange Geschichte. Ursprünglich war die Erdatmosphäre reduzierend und enthielt keinen Sauerstoff. Reduzierend heißt, dass vorwiegend Gase wie Methan, Ammoniak und Schwefelwasserstoff in der Erdatmosphäre waren. Schwefelbakterien nutzen den Schwefelwasserstoff für ihre Photosynthese. Es kam der Zeitpunkt, an dem dieses Gas knapp wurde. Was tun? Die Evolution ist erfinderisch. Es entwickelte sich die noch heute von Pflanzen betriebene Photosynthese, bei der nicht Schwefelwasserstoff, sondern Wasser benutzt wird. Als "Abfallprodukt" entsteht Sauerstoff.

Den damaligen Lebewesen gefiel das weniger, da er für sie äußerst giftig war. Da es zu dieser Zeit nur einzellige Lebewesen gab, die in den Meeren lebten, war das zunächst nicht so schlimm, denn der Sauerstoff verteilte sich im Wasser. Außerdem gab es damals sehr viel zweiwertiges Eisen im Meer, das dann durch den Sauerstoff oxidiert wurde und auf den Meeresgrund sank (heutige Rostbildung). Daher stammen die Eisenlager, die man heute ausbeutet. Aber irgendwann war alles Eisen ausgefällt und es schmeckte den Organismen immer weniger, weil sie nun durch den im Meer sich ansammelnden Sauerstoff vergiftet wurden. Es gab noch keine Organismen, die den Sauerstoff positiv nutzen konnten. Eine Riesenumweltkatastrophe bahnte sich an (obwohl solche natürlich nur von Menschen verursacht werden können! Das wussten die Einzeller aber noch nicht, weil die "Grünen" noch nicht lebten). Alle Organismen mussten sich nun entweder zurückziehen, starben aus oder sie mussten sich gegen den Sauerstoff schützen.

Über die Ausgestorbenen zu dieser Zeit ist leider wenig bekannt, Gräber hat man nicht entdeckt. Die, die sich schützten, haben eine Art Hämoglobin entwickelt, das den Sauerstoff band und so nicht in ihr Inneres vordringen ließ.

Wahrscheinlich hat sich aus diesem Stoff später das sauerstoffbindende und transportierende Hämoglobin entwickelt. Aber es gibt auch heute noch Bakterien, z.B. die Knöllchenbakterien, die an den Wurzeln von Leguminosen wachsen und den Stickstoff der Luft fixieren, die dafür das sog. Leghämoglobin besitzen, das sie vor dem Kontakt: mit Sauerstoff schützt. So wuchs zunächst der Sauerstoffgehalt der Meere und Organismen, die zu empfindlich waren oder keinen Schutz entwickeln konnten,, hatten keine Chance zu überleben.

Nachdem genügend Sauerstoff im Wasser war, gelangte er natürlich auch in die Erdatmosphäre. Dort wurden nun die Gase, die reduzierend wirken, oxidiert. Außerdem befand sich im Erdboden ebenfalls zweiwertiges Eisen wie vorher im Meer. Dieses wurde nun oxidiert. Daher stammt die Rotfärbung in vielen Wüstengebieten.

Nachdem dann schließlich alle Komponenten oxidiert waren, sammelte sich schließlich Sauerstoff in der Erdatmosphäre an. Man schätzt, dass vor 800-700 Mill. Jahren der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre etwa 10% des heutigen Gehaltes erreicht hat. Inzwischen gab es natürlich viele Arten im Meer, die den Sauerstoff für ihre Atmung nutzen konnten. Nun bestand also die Möglichkeit, dass diese Organismen sich zu Landlebewesen entwickelten.

Wie hoch der Sauerstoffgehalt zu verschiedenen Zeiten war, lässt sich nicht ohne Weiteres sagen. George der Autor der Filmreihe "Die Wüste siegt" meinte dazu, dass es im Erdmittelalter einen höheren Sauerstoffgehalt gegeben habe und dadurch die Insekten eine wesentlich größere Körpergröße besaßen. Es gab damals Libellen, die eine Flügelspannweite von 1,5 m besaßen. Ob das stimmt, wird sich nicht leicht klären lassen, denn das kann auch ganz andere Gründe gehabt haben. Ich vermute, dass damals wegen der fehlenden Konkurrenz durch Vögel die Insekten größer wurden (eine Begründung dafür ist etwas kompliziert, weshalb ich sie hier nicht gebe).

Daraus, dass die Lebewesen nur langsam eine Nutzung des Sauerstoff entwickelten, geht an sich schon daraus hervor, dass sie nicht an das Atmen von reinem Sauerstoff angepasst sind.

Weshalb war (und ist) Sauerstoff ursprünglich giftig?

Seine Giftigkeit lässt sich leicht verstehen. Er ist ein starkes Oxidationsmittel und d.h., dass er andere Stoffe oxidiert bzw. "verbrennt", d.h. zerstört. Dagegen muss man sich also schützen. Noch heute oxidiert z.B. Sauerstoff Hämoglobin in den roten Blutkörperchen (und natürlich auch andere Stoffe im Blut). Dadurch könnten sie schon bald keinen Sauerstoff mehr transportieren. Aber es gibt Enzyme, die diese Oxidation rückgängig machen (Methämoglobinreduktase). Atmet man nun reinen Sauerstoff, dann wird die Oxidation des Hämoglobins und natürlich auch anderer Proteine dermaßen gefördert, dass sie nicht schnell genug repariert werden können. Man kann also nur über begrenzte Zeit reinen Sauerstoff einatmen, wenn man sich keine Schädigungen zuziehen will.

Ein sehr wichtiger Hinweis bzw. Beleg dafür, dass die Entwicklung in dieser Form abgelaufen ist, ist darin zu sehen, dass "biologische Oxidationen" im Allgemeinen keine Oxidationen mit Hilfe von Sauerstoff sind, sondern dass diese Oxidationen so verlaufen, dass einem Stoff, der oxidiert werden soll, zwei Wasserstoffatome entzogen werden, wodurch eine Doppelbindung entsteht, die dann mit Wasser reagiert. Nach der Reaktion besitzt der Stoff dann ein Sauerstoffatom mehr.

Noch giftiger als Sauerstoff ist Ozon, das die dreiatomige Form des Sauerstoff ist. Da diese Verbindung wesentlich instabiler ist, ist sie viel reaktionsfreudiger und damit hochgradig aggressiv oxidierend. Im Prinzip entstehen die gleichen Schädigungen wie durch den "normalen" Sauerstoff, aber sehr viel schneller (Ozonwarnungen an sonnigen heißen Sommertagen).

Dafür sind wir aber auf der anderen Seite dankbar, dass dieser Stoff in großen Höhen in größerer Menge vorhanden ist, weil er dort das UV-Licht absorbiert, das sonst bei uns im Körper Mutationen auslösen könnte.

Einige quantitative Angaben zur Sauerstoff und seiner Giftigkeit

Die atmosphärische Luft enthält unter normalen Bedingungen 21 Vol.% Sauerstoff. Diesem Volumenanteil entspricht ein Partialdruck von 213 mbar. Der Organismus kann sich an erhöhten oder erniedrigten Sauerstoffpartialdruck nur in begrenztem Umfang anpassen. Sinkt der Sauerstoffpartialdruck ab, so tritt Sauerstoffmangel (Hypoxie) ein. Wird der Sauerstoffpartialdruck erhöht, so wirkt der Sauerstoff ab etwa 0,5 bar als Gift mit Zeit- und Konzentrationswirkung. Sauerstoff darf also unter erhöhtem Partialdruck nur innerhalb bestimmter Grenzbereiche geatmet werden. Werden die Grenzbereiche überschritten, treten Zell- Stoffwechselstörungen ein, die zu schwersten Krankheitsbildern und zum Tode führen können. Eine langsame Verminderung der normalen Sauerstoffspannung kann durch Anpassungsreaktionen bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden. Durch Vertiefung und Beschleunigung der Atmung, durch Zunahme des Hämoglobingehalts der roten Blutkörperchen, durch Vermehrung der Blutkörperchenzahl und der Gesamtblutmenge erfolgt eine Anpassung an erniedrigten O₂-Partialdruck. Derartige Vorgänge spielen sich dann ab, wenn sich beispielsweise Menschen bei langdauernden Hochgebirgsexpeditionen allmählich, über Tage und Wochen, an den Aufenthalt in immer größeren Höhen gewöhnen. In etwa 5500 m Höhe liegt die Anpassungsgrenze für menschlichen Daueraufenthalt.

Wird der O₂-Partialdruck rasch erniedrigt, z. B. bei Höhenflügen, bei Ballonfahrten oder bei Aufstiegen mit Seilbahnen, stellt sich mit großer individueller Schwankungsbreite in Höhen ab 3000 m die sogenannte Höhenkrankheit ein. Die Symptome der Höhenkrankheit, anfangs ein Gefühl großen Wohlbefindens (Euphorie), Konzentrations- und Koordinationsstörungen, später Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen, Bewusstlosigkeit und Krampfanfälle, sprechen dafür, dass die gegen Sauerstoffmangel besonders empfindlichen Zellen des Gehirns am stärksten betroffen werden.

Unter einem Partialdruck von 0,5 bar kann Sauerstoff unbegrenzt lange ohne Schäden geatmet werden.

Wird der Partialdruck des Sauerstoffs auf 0,8 bar erhöht, kann man 42 h ohne schädliche Folgen atmen. Das Atmen reinen Sauerstoffs unter normalen atmosphärischen Druck wird 24 h schadlos ertragen. Wird unter diesen Bedingungen reiner Sauerstoff länger als 24 h geatmet, treten Hustenreiz, Schmerzen hinter dem Brustbein und Atemnot auf. Nach 40 h reiner Sauerstoffatmung bei 1 bar kommt es zur Bronchitis, zur Lungenentzündung und zum Lungenödem (Flüssigkeitsansammlung in den Lungenbläschen). Das Krankheitsbild kann lebensbedrohliche Formen annehmen.

Verfasst von: Helmut Hupfeld. SBOM mit CC BY-SA-Lizenz zur Verfügung gestellt von: Mario Hupfeld, Konstanz.

Materialien

• zum-classic: Die Atmung (interaktive Lerneinheit) (Hans-Dieter Mallig)