Wissenschaft

Ursprung des Lebens: 4 Mrd. Jahre alte Kristalle liefern Hinweise

Im Gegensatz zu Diamanten sind Zirkone für die Ewigkeit gemacht. Die kristallinen Zeitkapseln gewähren spannende Einblicke in die frühen Phasen der Erde.Dienstag, 25. September 2018

Von Maya Wei-Haas
Wissenschaftler und Künstler stellen die junge Erde oft als glühende Höllenlandschaft mit Vulkanen und Lavafeldern dar. Vermutlich kühlte sie sich aber binnen einiger hundert Millionen Jahre genügend ab, um Wasser auf der Oberfläche zu halten. Bald darauf folgte womöglich das erste Leben auf Erden.

Wie sah die Erde vor vier Milliarden Jahren aus? Bevor Menschen die Wunder des Planeten in Stein ritzten, bevor Bäume die Jahreszeiten in ihren Ringen verewigten, bevor die Plattentektonik die Oberfläche der Erde aufbrach und uralte Schichten stetig wachsender Gebirge freilegte? 

Wissenschaftler haben ein kleines Fenster in die Erde der fernen Vergangenheit: ein hartes Mineral namens Zirkon. 

Zirkonkristalle sind fast unzerstörbar – einige heutige Exemplare sind fast 4,4 Milliarden Jahre alt. Sie sind wie kleine Zeitkapseln, in denen der chemische Fingerabdruck dieser jungen Erde erhalten geblieben ist. „Das ist im Grunde unser einziges Fenster in die Entstehungsphase unseres Planeten“, erklärt Dustin Trail von der University of Rochester. 

Indem sie diese chemischen Hinweise entschlüsseln, können sich die Wissenschaftler langsam ein Bild jener Umgebungen machen, in denen die ersten Spuren von Leben entstanden. Wie genau die Erdoberfläche damals ausgesehen hat, blieb allerdings lange Zeit ein Rätsel. Im Rahmen einer neuen Studie, die in „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht wurde, bringen Trail und seine Kollegen nun Stück für Stück Licht ins Dunkel. 

Auf Basis der chemischen Signaturen in den Zirkonen identifizierte das Team eine Reihe von Sedimenten, die auf der jungen Erde wahrscheinlich vorhanden waren – dort, wo sich die ältesten biochemischen Reaktionen unseres Planeten zusammengebraut haben könnten.

Diese Aufnahme der australischen Region Jack Hills fing das Instrument ASTER des NASA-Satelliten Terra ein. Es ist das bislang älteste bekannte Fragment der Erdkruste und enthält Zirkone, die fast 4,4 Milliarden Jahre alt sind.

Der ultimative Recycler 

Als die Erde vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren entstand, ähnelte ihre Oberfläche wahrscheinlich in keiner Weise dem, was uns heute umgibt. Wissenschaftler beschreiben diese Periode – die passenderweise als Hadaikum bezeichnet wird, nach Hades, dem griechischen Gott der Unterwelt – oft als glühende Höllenlandschaft, auf der konstant Meteoriten einschlugen und zahlreiche Vulkane Lava spien.  

All diese Vermutungen basieren jedoch nur auf Rückschlüssen. Es gibt keine physischen Belege aus den ersten paar hundert Millionen Jahre der Erde. „Die Erde hat gute Arbeit dabei geleistet, einen Teil dieser Informationen auszulöschen“, so Trail. Unser Planet ist der ultimative Recycler. Durch die Plattentektonik wird altes Gestein konstant in neues umgewandelt und erkaltende Lavaströme werden zu neuen Landschaften. 

Zirkonkristalle sind jedoch so hart, dass sie die hohen Temperaturen und den immensen Druck dieses Recyclingprozesses oft überstehen. Damit bleiben auch Hinweise auf jene Umgebungen erhalten, in denen sie ursprünglich entstanden. Mit Hilfe von Sauerstoffisotopen aus den Zirkonen hatten Forscher zuvor bereits entdeckt, dass unser Planet vor etwa 4,3 Milliarden Jahren teilweise von Wasser bedeckt war. Das deutet darauf hin, dass sich die Oberfläche schon ein paar hundert Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde abgekühlt hatte. Letztes Jahr entdeckten Forscher womöglich Spuren frühen Lebens in Form kohlenstoffreicher Einschlüsse in 4,1 Milliarden Jahre alten Zirkonen. 

„Wenn wir damit anfangen können, die Materialtypen einzuschränken, die es zu jener Zeit gab, bringt uns das vielleicht einen Schritt näher daran zu verstehen, wie biochemische oder präbiotische Reaktionen die Kruste zu jener Zeit als Nährboden benutzt haben könnten“, erklärt Trail. 

Chemische Signaturen 

Trail und seine Kollegen suchten in Silizium und Sauerstoff nach Antworten. Zusammen machen diese beiden Elemente etwa 75 Prozent des heutigen Gesteins auf der Erde aus, wie er sagt. Beide haben außerdem ein nützliches Merkmal: Sie haben mehr als ein Isotop. 

Die Entstehung und Umwandlung von Gestein verändert dessen Isotopen-Fingerabdruck. Gestein, das sich beispielsweise aus erkaltender Lava bildet, hat eine deutlich andere Signatur als Tone, die aus verwittertem Gesteinen entstehen. Zirkone beginnen selbst als unterschiedliche Gesteins- und Sedimentarten, ehe sie tief in die Erde gezogen werden, schmelzen und dann kristallisieren. Sie tragen noch die Signaturen dieser alten Sedimente in sich. 

Um die heikle Analyse des Siliziums und Sauerstoffs in den Zirkonen durchzuführen, nutzte das Team eine hochauflösende Ionen-Mikrosonde an der University of California in Los Angeles. Die Sonde schießt einen dünnen Strahl geladener Atome auf die winzigen Proben und misst dann die Ionen, die zurückgeworfen werden. 

Für ihren Test nutzten sie Zirkone, die älter als vier Milliarden Jahre sind. Die winzigen Minerale mit gerade mal 100 Mikrometern Durchmesser – das entspricht ungefähr der Breite eines menschlichen Haares – stammen aus der Region Jack Hills in Western Australia. Sie verglichen die chemische Zusammensetzung dieser uralten Minerale mit der jüngerer Zirkone, die als eine Art „Brücke“ dienen sollten, um die verschiedenen Isotopenverhältnisse zu interpretieren, erklärt Trail. 

Ein Bild der jungen Erde 

Mehr als die Hälfte der getesteten alten Zirkone offenbarten frühe Interaktionen zwischen Wasser und Gestein in einer Reihe verschiedener Umgebungen. 

In einigen Zirkonen fand man chemische Signaturen von Gestein, das durch die konstante Einwirkung von Wasser zu Ton wurde. Andere Zirkone wiesen Signaturen aufgelöster Minerale auf, die kristallisierten und beispielsweise Feuerstein oder Bändererze in Seen und Meeren bildeten. In wieder anderen fand man Signaturen eines Prozesses namens Serpentinisierung, bei dem Gestein mit einer Farbe und Textur entsteht, die Schlangenhaut ähnelt. Bei diesem Prozess reagiert Wasser mit Gestein, das reich an Eisen und Magnesium ist. 

Was aber noch wichtiger ist: Jeder dieser Prozesse erzeugt eine neue Nische in der Umwelt, in der frühe biochemische Reaktionen ablaufen könnten – die ersten Funken des Lebens auf Erden. 

„Das ist ein ziemlich cooles Ergebnis“, findet Elizabeth Bell, eine Geochemikerin der University of California in Los Angeles, die an der Studie nicht beteiligt war. Viele dieser Prozesse wären anhand von Sauerstoffisotopen allein größtenteils nicht auseinanderzuhalten, weshalb sie insbesondere die Nutzung der Siliziumisotope als „wirklich aussagekräftig“ bezeichnet. 

Bell leitete eine Studie aus dem Jahr 2017, die schildert, wie sie und ihr Team Spuren einer Biosphäre in 4,1 Milliarde Jahre alten Zirkonen entdeckten. Die jüngsten Ergebnisse unterstützen ihre Befunde sowie andere Interpretationen der frühen Erde. „Alles fügt sich langsam zu einem schönen Bild zusammen“, sagt sie. 

Alles um uns herum (und in uns) war einst Sternenstaub – jedes Molekül, Mineral und jeder komplexe Organismus: von dem Essen, das wir verzehren, über das Herz, das in unserer Brust schlägt, bis hin zu unserem Smartphone. Die Wissenschaftler fangen gerade erst damit an, die Ursprünge dieser Bausteine aufzudecken. 

„Wir befinden uns gerade an einem sehr interessanten Punkt“, sagt Trail. „Wir fangen gerade erst damit an, uns wirklich ein Bild davon zu machen, wie unser Planet vor über vier Milliarden Jahren aussah. Und dass ist ziemlich spannend.“ 

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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