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800 Millionen Jahre alte Atmosphärenproben

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 17.08.2016 14:47

Für einen außerirdischen Beobachter gäbe es keinen Zweifel: Die Erde ist ein belebter Planet. Das untrügliche Indiz dafür ist der Sauerstoff, der in den Spektrogrammen der Atmosphäre auftauchen würde. Ihn gibt es nur, weil Bakterien und Pflanzen Photosynthese betreiben. Und sollte der ferne Beobachter die Zusammensetzung der Lufthülle näher analysieren, könnte er auf höheres Leben schließen. Schließlich geht eine gängige Lehrmeinung davon aus, dass diese Entwicklung erst in dem Moment begann, als es genügend Sauerstoff in der Atmosphäre gab. Zwei kanadische Wissenschaftler ziehen diese Theorie jetzt in Zweifel und präsentieren gleich eine neue Informationsquelle für die Forschung über die Atmosphäre längst vergangener Erdzeitalter. Ihr Aufsatz in „Geology“ und ihre vorhergehende Präsentation auf der Goldschmidttagung für Geochemie in Yokohama hat in der Szene für großes Aufsehen erregt.

650 Mio. Jahre alte Stromatolithen-Fossilien in der Trezona-Formation Südaustraliens. (Bild: Maloof/NSF)

650 Mio. Jahre alte Stromatolithen-Fossilien in der Trezona-Formation. (Bild: NSF/Adam Maloof)

Sauerstoff treibt das höhere Leben der Erde an. Erst als es ausreichend davon in Ozeanen und Atmosphäre gab, bekam vielzelliges Leben einschließlich aller Pflanzen und Tiere auf diesem Planeten seine Chance. „Die Lehrbuch-Meinung besagt, dass die Evolution der Tiere erst in Gang kam, als vor 700 oder 600 Millionen Jahren der Sauerstoffgehalt anzusteigen begann“, sagt Nick Butterfield, Professor für Paläobiologie an der Universität Cambridge. Zwischen den ersten unumstrittenen Spuren des Lebens und den ersten mehrzelligen Lebewesen liegt eine Durststrecke von fast drei Milliarden Jahren. Selbst nachdem freier Sauerstoff erstmals vor rund 2,5 Milliarden Jahren in der Atmosphäre auftauchte, brauchte das mehrzellige Leben noch fast zwei Milliarden Jahre. All das soll daran liegen, dass nicht genug Sauerstoff für dieses energieaufwändige Dasein bereitstand.

Zweifel am Zusammenhang von Sauerstoff und komplexem Leben

Genau an diesem Punkt setzt die Arbeit von Nigel Blamey und Uwe Brand, beide von der kanadischen Brock University, an. Sie berichteten in Yokohama und ausführlicher in „Geology“, dass die irdische Atmosphäre bereits vor 800 Millionen Jahren aufsehenerregend viel Sauerstoff hatte. „Wir haben im Durchschnitt 10,9 Prozent Sauerstoff gefunden, das ist mehr als fünf Mal so hoch wie der Gehalt, über den man sonst spekuliert hat“, fasst Uwe Brand die Analysen von Gaseinschlüssen in 800 Millionen Jahre altem Steinsalz zusammen. Damit begänne der Anstieg selbst nach geologischen Begriffen beträchtlich früher als gedacht.

Nahaufnahme einer versteinerten Cloudina, einer ausgestorbenen Tiergattung. (Bild: F.Bowyer/Science)„Die Sauerstoffwerte in der Atmosphäre müssen vielleicht Hunderte von Millionen Jahren früher zu steigen begonnen haben, denn es wäre schon ein enormer Zufall, wenn die beiden den Beginn der Anreicherung getroffen hätten“, sagt etwa Bruce Runnegar, emeritierter Professor für Paläobiologie an der Universität von Kalifornien in Los Angeles. Zwischen den Sauerstoffanstieg und die kambrische Artenexplosion, mit der sich vielzelliges, ausdifferenziertes Leben schlagartig auf der Erde ausbreitete, hätte sich schlagartig ein Zeitraum von etlichen Hundert Millionen Jahren gelegt, den die Paläontologen erklären müssten. Am mangelnden Sauerstoff kann der späte Auftritt von vielzelligen Lebewesen jedenfalls nicht gelegen haben. „Solche Werte haben wir heutzutage in sehr großer Höhe“, sagt Runnegar, „Menschen können damit zurecht kommen, und wenn Menschen das schaffen, dann schafft das auch nahezu jedes andere Tier."

Kein Wunder, dass Spezialisten für das frühe Leben wie Butterfield und Runnegar fasziniert von den Ergebnissen ihrer Kollegen aus Kanada sind. „Wenn es zuträfe, wäre es tatsächlich der Paradigmenwechsel, den Blamey und Brand vorschlagen“, urteilt Runnegar. Denn noch wird der fehlende Sauerstoff für den späten Auftritt des mehrzelligen Lebens auf der Erde verantwortlich gemacht. „Es ist eine wunderbare Erklärung, aber was, wenn sie nicht stimmt“, fragt Nick Butterfield, „wenn der Sauerstoff so früh viel, viel höher war? Was hat dann den späten Auftritt der Tiere verursacht?“ Es wäre der Beginn einer der ganz großen Kontroversen in der Paläontologie.

Ergebnisse stießen auf Skepsis

Officer-Becken: Fundort der Proben von Maloof. (Bild: Geoscience Australia) Wegen dieser gewaltigen Konsequenzen werden die Berichte von Blamey und Brand über die winzigen Gasbläschen im Salzgestein aus dem australischen Officer-Becken besonders kritisch unter die Lupe genommen. „Ich war auf der Goldschmidt-Tagung in Yokohama, als die Ergebnisse zum ersten Mal vorgestellt wurden“, sagt Nick Butterfield, „und sie verursachten ziemliches Aufsehen, stießen aber auch auf eine Menge Skepsis. Man muss unglaublich vorsichtig sein.“ Sein Kollege Tim Lyons von der Universität von Kalifornien in Riverside ergänzt: „Ich fände es toll, wenn ihre Ergebnisse korrekt wären, aber ich glaube, das letzte Urteil ist noch nicht gesprochen.“

Nigel Blamey und Uwe Brand haben einen neuen Ansatz entwickelt, um die Atmosphäre einer längst vergangenen Epoche zu bestimmen. Bisher konnten Geowissenschaftler sich nur auf Modellrechnungen stützen oder sogenannte Proxies auswerten. Das sind Indikatorelemente im Sediment, die sich bei Anwesenheit von freiem Sauerstoff in charakteristischer Weise verändern. „Die meisten dieser Proxies reagieren schon auf sehr geringe Mengen von Sauerstoff“, erklärt Bruce Runnegar, der sich sein ganzes Berufsleben lang mit derartigen Indikatoren beschäftigt hat. Sie sind also sehr gut, wenn man den Auftritt des freien Sauerstoffs an sich bestimmen will. Wenn man allerdings wissen will, wie sich der Gehalt danach entwickelt hat, zeigen die Proxies Schwächen. „Wenig Sauerstoff ergibt dieselbe Anzeige wie viel Sauerstoff“, sagt Runnegar, „bei Gehalten über ein oder zwei Prozent können sie nicht viel aussagen.“

Direkte Atmosphärenmessung im Steinsalz

Die beiden Kanadier haben dagegen Gesteinsproben gesucht, in denen sich die Atmosphäre selbst über die Jahrhundertmillionen erhalten hat, und fanden sie in Bohrkernen aus den südaustralischen Steinsalzvorkommen im Officer-Becken. In diesen Gaseinschlüssen messen sie direkt die Zusammensetzung der damaligen Lufthülle. Etwas ähnliches machen Klimatologen, die das Erdklima aus Eisbohrkernen rekonstruieren und dazu Gasbläschen heranziehen, die im Eis gefangen sind. Der Unterschied ist: Die Eisbohrkerne reichen in der Antarktis rund eine Million Jahre zurück, in der Arktis kaum mehr als 120.000 Jahre. Blamey und Brand aber schauen 800 Millionen Jahre zurück.

Umso wichtiger ist die Frage, ob das Salz auch tatsächlich unverändert die Zeit überstanden hat. Damals war das Officer-Becken das flache Küstengebiet des alten australischen Kontinents, heutzutage liegt es rund 200 Kilometer von der Küste Südaustraliens entfernt. Das flache Meer trocknete immer wieder aus und ließ Salzablagerungen zurück, insgesamt 10.000 Meter dick sind sie heutzutage. Das ging viele Hundert Millionen Jahre so, erst die Eiszeiten der Cryogenen Periode von vor 720 bis 635 Millionen Jahren machten dem ein Ende. Danach hob sich das Officer-Becken und blieb bis heute vom Meer isoliert. Beim stetigen Eindampfen und Auskristallisieren zuvor fingen die Salzkristalle auch winzige Bläschen der damaligen Atmosphäre ein. Manche von ihnen überlebten das Verdichten der Salzkristalle zu Steinsalz und lassen sich noch heute unter dem Mikroskop erkennen.

Bleibt Steinsalz so lange dicht?

In solchen Steinen fand Adam Maloof die ältesten Tierfossilien. (Bild: Maloof/Princeton Univ.)„Die größte Frage in dem Zusammenhang ist“, meint Tim Lyons, „was wurde über diesen langen Zeitraum von 800 Millionen Jahren gespeichert?“ Salz sei zwar verglichen mit vielen anderen Gesteinsarten relativ dicht, aber es sei dennoch möglich, dass im Lauf der Zeit jüngere Luft mit höherem Sauerstoffgehalt eingedrungen sei. Nigel Blamey hält dagegen: „In den Bohrkernen haben wir keinerlei Deformationen entdeckt, das Gestein ist praktisch unverändert.“ Solcherart unberührtes Salz hat seiner Ansicht nach authentische Luftbläschen gespeichert. „Daher können wir tatsächlich die Paläoatmosphäre jener Periode messen.“ Doch genau diese Frage ist für die Experten, die nicht dem Team angehören, nach wie vor unbeantwortet. „Wenn man Sauerstoffgehalte von der Hälfte des heutigen Wertes findet“, meint etwa Nick Butterfield, „wer weiß, vielleicht ist dann eine ganze Menge des heutigen Sauerstoffs irgendwie ins Salz gewandert. Es ist immerhin nur Salz.“

Die Aussicht auf Atmosphärenproben aus so lang vergangenen Erdzeitaltern wird den Experten trotzdem keine Ruhe lassen. „Das wird eine ganze Menge neuer Forschung auslösen“, erwartet Bruce Runnegar. Die Ergebnisse von Blamey und Brand müssen schließlich nachgeprüft werden. Außerdem haben zahlreiche Wissenschaftler, unter ihnen Butterfield und Lyons, bereits seit einiger Zeit Zweifel an der schönen Geschichte vom Sauerstoff und den vielzelligen Lebewesen. Tim Lyons hat 2014 Resultate mit einem neuen auf Chrom basierenden Proxy veröffentlicht, die in die gleiche Richtung weisen, wie jetzt die Messergebnisse von Blamey und Brand. Doch bislang konnte nichts wirklich an der Theorie kratzen. Wenn sich die hohen Sauerstoffwerte auch von anderen bestätigen lassen, könnte sich das schlagartig ändern und eine große Diskussion über die wirklichen Gründe für das späte Auftreten des vielzelligen Lebens losbrechen.