Wenn man in der Erdgeschichte zurückschaut, findet man schon vor über zwei Milliarden Jahren Spuren von Lebewesen, die Sauerstoff benötigt haben müssen. Damals muss es also schon Sauerstoff in der Luft gegeben haben.

Noch deutlich älter sind versteinerte Spuren von mikroskopisch kleinen Bakterien, Blaualgen genannt. Und die haben es in sich: Diese Organismen waren die ersten, die die Energie des Sonnenlichts für ihren Stoffwechsel nutzen konnten. Sie nahmen Wasser und Kohlendioxid aus ihrer Umwelt auf und wandelten diese mit Hilfe der Sonnenenergie in Zucker um, der ihnen als Energiespeicher diente. Außerdem entstand bei dieser chemischen Reaktion – sozusagen als Abfallprodukt – Sauerstoff. Mit dem Sauerstoff konnten die Bakterien jedoch nichts anfangen und gaben ihn einfach in die Umgebung ab.

Zu dieser Zeit gab es reichlich Sonnenlicht und Kohlendioxid und die Weltmeere waren vergleichsweise warm. Dies waren beste Bedingungen für die Blaualgen, und so konnten sie sich stark vermehren und ausbreiten. Dabei produzierten sie immer mehr Sauerstoff, der sich über Jahrmillionen zunächst in den Meeren und später in der Atmosphäre ansammelte.

So schuf das Abfallprodukt dieser Bakterien die Voraussetzungen für höhere Lebensformen im Wasser und auf dem Land. Aus den Bakterien gingen später die Chloroplasten hervor, die bis heute in jeder Pflanze die Sonnenenergie einfangen. Auch das Prinzip der sogenannten Photosynthese ist gleich geblieben: Mit Hilfe von Sonnenlicht werden Wasser und Kohlendioxid zu Zucker und Sauerstoff umgesetzt. Der Zucker dient als Nährstoff für die Pflanze, der Sauerstoff wird in die Luft abgegeben und von Menschen und Tieren eingeatmet.

Für die Wissenschaftler, die die Geschichte der Erde erforschen, sind diese drastischen Veränderungen wie ein neues Kapitel in einem Buch: Sie unterteilen die Erdgeschichte in verschiedene Abschnitte, die Äonen genannt werden.

Zu Beginn, vor 4,5 Milliarden Jahren war die Erde völlig unbewohnbar. Sie entstand als eine heiße Kugel aus glühendem geschmolzenem Gestein, umgeben von heißen, ätzenden und giftigen Gasen. Das klingt wie eine Beschreibung der Hölle – und vom griechischen Wort „Hades“ für Hölle stammt auch der Name dieser Zeit: Hadaikum. Es endete vor etwa vier Milliarden Jahren mit der ersten großen Veränderung: Die Erde war so weit abgekühlt, dass die Oberfläche fest wurde – die Erde bekam eine Kruste.

Die Erde kühlte weiter ab, so dass sich auf der Kruste flüssiges Wasser sammeln konnte: Meere entstanden. Und in diesen Meeren begann vor etwa 3,8 Milliarden Jahren das Leben – zunächst aber nur in Form einfachster Bakterien. Das griechische Wort für Ursprung oder Beginn steckt im Namen dieser Zeit: Archaikum. Eine wichtige Klimaveränderung vor etwa 2,5 Milliarden Jahren markierte den Übergang zur nächsten Epoche: Die primitiven Lebewesen begannen, die Umwelt zu beeinflussen. Sie produzierten Sauerstoff, der bislang in der Atmosphäre fast gar nicht vorkam.

Die frühen einzelligen Lebensformen wurden mit der Zeit komplexer, sie bildeten Zellkerne. Später begannen einige auch, dauerhaft in Verbünden zusammenzuarbeiten – daraus wurden schließlich die ersten mehrzelligen Organismen. Allerdings hatten sie noch keine festen Schalen oder Skelette, so dass aus dieser Zeit kaum Fossilien erhalten sind. Dieser Zeit vor dem Entstehen der Fossilien verdankt diese Epoche ihren Namen: Proterozoikum.

Das Proterozoikum endete vor 550 Millionen Jahren mit einer Explosion des Lebens: Innerhalb kurzer Zeit entwickelte sich aus den primitiven Lebensformen eine enorme Artenvielfalt. Diese Arten waren viel komplexer gebaut – und einige hatten auch schon harte Schalen, die erstmals als Fossilien erhalten blieben. Daher wird für die Wissenschaftler die Geschichte des Lebens erst ab diesem Zeitpunkt so richtig sichtbar. Und nach dem griechischen Begriff für „sichtbar“ ist auch diese Epoche bennant: Phanerozoikum.

Dieses Zeitalter des Lebens dauert seit 550 Millionen Jahren bis heute an. Allerdings verlief auch die Entwicklung des Lebens nicht gleichmäßig: Nach der explosionsartigen Ausbreitung des Lebens gab es zwei verheerende Massensterben. Diese markieren weitere wichtige Einschnitte in der Erdgeschichte, so dass Wissenschaftler das Zeitalter des Lebens, das Phanerozoikum in drei Abschnitte, Ären genannt, einteilen.

Die älteste Ära des Phanerozoikum begann vor 550 Millionen Jahren mit der massenhaften Entstehung neuer Arten. Man nennt sie das Erdaltertum oder Paläozoikum. Zunächst spielte sich das Leben nur in den Ozeanen ab. Dann besiedelten die Pflanzen das Land, später zog auch die Tierwelt nach: Zuerst entwickelten sich die Amphibien, die sich bereits ein wenig an Land vortasten konnten, und schließlich auch Reptilien, die unabhängig vom Wasser wurden und das Land eroberten. Das Erdaltertum endete vor etwa 251 Millionen Jahren mit dem größten Massensterben aller Zeiten: Über 90 Prozent aller Tier- und Pflanzenarten starben aus, vor allem in den Meeren. Der Grund ist bis heute nicht endgültig geklärt. Wissenschaftler vermuten, dass eine Eiszeit schuld war, möglicherweise als Folge eines Meteoriteneinschlags.

Als sich die überlebenden Tier- und Pflanzenarten an ihre neue Umwelt gewöhnen mussten, brach das Erdmittelalter oder Mesozoikum an. Es ist vor allem das Zeitalter der Dinosaurier: Riesige Echsen entwickelten sich und beherrschten das Leben fast 200 Millionen Jahre lang. Doch auch das Erdmittelalter endete mit einem einschneidenden Ereignis: Vor etwa 65 Millionen Jahren schlug ein großer Meteorit auf der Erde ein. Dabei wurde so viel Staub und Asche in die Luft geschleudert, dass sich der Himmel verdunkelte und sich das Klima für lange Zeit veränderte. Die Dinosaurier und viele andere Arten starben aus.

Davon profitierten vor allem kleine Säugetiere, die sich am besten an den Klimawandel anpassen konnten. Sie hatten sich bereits im Erdmittelalter entwickelt, waren aber im Schatten der Dinosaurier geblieben. Nun konnten sie sich rasant ausbreiten, die unterschiedlichsten Lebensräume erobern und sich immer weiter entwickeln. Auch der Mensch stammt von dieser Gruppe ab. Dieses jüngste Zeitalter hält bis heute an und wird daher auch die Erdneuzeit oder Känozoikum genannt.

Diese grobe Einteilung der Erdgeschichte orientiert sich an sehr einschneidenden Veränderungen des Lebens: Explosionsartige Vermehrung oder Massensterben. Dazwischen gab es aber weitere Umbrüche durch verschiedene andere Einflüsse – Veränderungen der Meere und Kontinente durch die Kontinentalverschiebung, Klimawandel zwischen Eis- und Warmzeiten, Zusammensetzung der Luft und vieles mehr. Immer bevorzugten die neuen Bedingungen einzelne Arten und benachteiligten andere. So können die drei Abschnitte des Phanerozoikum (Zeitalter des Lebens) noch jeweils in mehrere Perioden unterteilt werden.

Vor gut 4,5 Milliarden Jahren verdichteten sich Kometen, Asteroiden, Gas und Staub zu unserem Planeten. Die eigene Schwerkraft presste diese Einzelteile zusammen, so dass sie einem starken Druck ausgesetzt waren. Am höchsten war dieser Druck natürlich im Erdkern, auf dem das Gewicht der gesamten äußeren Schichten lastete. Als Folge des hohen Drucks wurde das Gestein stark aufgeheizt und geschmolzen. Nach außen wurden der Druck und damit auch die Temperatur weniger. Trotzdem blieb die Erdoberfläche noch mehrere hundert Millionen Jahre lang sehr heiß und konnte sich nicht abkühlen und verfestigen.

Um den Grund hierfür zu verstehen, mussten die Wissenschaftler den Mond anschauen: Uralte Mondkrater aus der Entstehungszeit des Sonnensystems verraten uns, dass der Mond in seinen jungen Jahren von zahlreichen Meteoriten getroffen wurde. Man geht deshalb davon aus, dass auch die Erde zur gleichen Zeit einem regelrechten Gesteinsbombardement aus dem All ausgesetzt war. Die Brocken stürzten mit hoher Geschwindigkeit auf die Erde – und entsprechend heftig waren die Einschläge: Schon Brocken von einigen hundert Tonnen konnten locker eine Explosion von der Stärke einer Atombombe verursachen!

So wurde die Erdoberfläche noch lange Zeit weiter aufgeheizt, immer wieder aufgewühlt und blieb so flüssig. Erst als nach einigen hundert Millionen Jahren die Einschläge allmählich nachließen, sanken die Temperaturen an der Erdoberfläche. Das Gestein konnte langsam erstarren und eine Erdkruste bilden, die im Laufe weiterer Jahrmillionen immer dicker wurde. Doch bis heute ist sie nur eine hauchdünne Schicht, die auf einem zähflüssigen, heißen Erdinneren schwimmt.

Ein Student namens Stanley Miller kam 1953 auf eine Idee: Er wollte die Umweltbedingungen auf der Erde vor etwa 3,8 Milliarden Jahren in einem Experiment nachzustellen. Dazu füllte er einen Glaskolben mit Wasser sowie einigen Gasen, die vermutlich Bestandteile der Ur-Atmosphäre waren: Ammoniak, Methan und Wasserstoff. In diesem Gasgemisch zündete er elektrische Entladungen, um die Blitze der damaligen Gewitter zu simulieren. Das Wasser sollte den natürlichen Wasserkreislauf nachstellen. Dazu gab es eine Heizung, wo das Wasser verdampfte und Kühlschlange, an denen es wieder kondensierte.

Dieses Experiment ließ Miller mehrere Tage laufen und untersuchte danach das Wasser. Darin fand er eine bestimmte Art chemischer Verbindungen: Aminosäuren, ein wichtiger Bestandteil der Zellen aller Lebewesen. Miller hatte so bewiesen, dass aus einfachen Gasen die Bausteine des Lebens entstehen können.

Deshalb gehen heute die Wissenschaftler davon aus, dass auf ähnliche Weise auch die Gase in der Ur-Atmosphäre zu organischen Stoffen reagierten. Regen spülte sie ins Meer, vor allem in flachen Gewässern konnten sich hohe Konzentrationen ansammeln. Ob durch aggressive Sonnenstrahlen oder Blitze – die Teilchen müssen immer wieder miteinander reagiert haben. Eine zufällige Kombination von Molekülen hatte dann zum ersten Mal eine besondere Eigenschaft: Sie war in der Lage, sich selbst zu vervielfältigen – der Beginn des Lebens.

Ohne die Atmosphäre gäbe es auf diesem Planeten kein Leben, denn Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Luft zum Atmen. Sie schützt uns vor der Kälte und vor schädlicher Strahlung aus dem Weltall. Außerdem lässt sie Meteoriten verglühen, bevor sie auf der Erdoberfläche einschlagen können. Diese Lufthülle ist für uns lebenswichtig – aber woraus besteht sie eigentlich?

Die Atmosphäre ist ein Mix aus verschiedenen Gasen. Ein großer Teil dieses Gasgemischs ist Stickstoff: Mit 78 Prozent sind das fast vier Fünftel der gesamten Atmosphäre. Nur 21 Prozent bestehen aus Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Das restliche eine Prozent machen verschiedene Spurengase aus – also Gase, die nur in Spuren in der Atmosphäre vorkommen. Zu diesen Spurengasen gehören Methan, Stickoxide und vor allem Kohlendioxid, kurz CO₂ genannt. Obwohl der CO₂-Anteil recht gering ist, hat dieses Spurengas gewaltigen Einfluss auf unser Erdklima. Das zeigt sich am Treibhauseffekt, der unseren Planeten aufheizt.

Dass die Erde überhaupt eine Atmosphäre hat, liegt an der Schwerkraft. Sie hält die Gasmoleküle auf der Erde fest und verhindert, dass diese einfach ins Weltall hinaus fliegen. Tatsächlich wird die Luft mit steigender Höhe und damit abnehmender Schwerkraft immer dünner. Schon ab 2000 Metern über dem Meeresspiegel kann sich das für den Menschen unangenehm bemerkbar machen: Er leidet an der Höhenkrankheit mit Atemnot, Kopfschmerzen und Übelkeit. Extrembergsteiger, die hohe Gipfel wie die 8000er des Himalaya erklimmen wollen, nehmen daher meistens künstlichen Sauerstoff mit auf ihre Tour.

Fast der gesamte Sauerstoff in der Luft wird von Pflanzen durch die Fotosynthese hergestellt. Bei diesem Vorgang bildet die Pflanze aus Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht für sie wichtige Nährstoffe. Als Nebenprodukt entsteht bei der Fotosynthese auch Sauerstoff.

Den Sauerstoff, den die Pflanze nicht braucht, gibt sie an ihre Umgebung ab. Eine große Buche zum Beispiel produziert in einer Stunde etwa so viel Sauerstoff wie 50 Menschen in derselben Zeit zum Atmen benötigen. Mensch und Tier atmen diesen Sauerstoff ein, verbrauchen ihn und atmen Kohlendioxid aus. Dieses Kohlendioxid nehmen bei der Fotosynthese die Pflanzen auf, während sie gleichzeitig neuen Sauerstoff erzeugen. Ein Kreislauf zwischen Pflanzen, Menschen und Tieren entsteht.

Im Lauf der Erdgeschichte wurde viel mehr Sauerstoff freigesetzt als die Lebewesen beim Atmen verbraucht haben. So gelangte immer mehr Sauerstoff in die Atmosphäre. Aus dem wachsenden Anteil an Sauerstoff konnte sich, hoch oben in der Stratosphäre, die Ozonschicht bilden, die uns vor gefährlicher UV-Strahlung schützt.

Seitdem die Menschen immer mehr Erdöl, Erdgas und Kohle verbrennen, wird dieser natürliche Sauerstoffkreislauf empfindlich gestört: Das Verbrennen verbraucht Sauerstoff und gleichzeitig wird auch noch Kohlendioxid ausgestoßen. Aus diesem Grund ist der Anteil an Kohlendioxid in der Luft während der letzten 250 Jahre stark angestiegen. Der Anstieg dieses Spurengases ist die Hauptursache für den vom Menschen gemachten Treibhauseffekt und damit auch für die Erwärmung der Atmosphäre.