Geologische Vorgänge ändern die Geschichte des Lebens – und umgekehrt

Die Entwicklung des Lebens auf der Erde ist eng mit geologischen Vorgängen verknüpft. Um Letztere zeitlich einzuordnen, sind die Methoden der Geochemie unumgänglich. Der Berner Forscher Balz Kamber arbeitet in diesem Gebiet und wurde kürzlich mit der Paul Niggli-Medaille ausgezeichnet - dem renommiertesten Preis für Erdwissenschaften in der Schweiz.

Globale Katastrophen werden im Zeitalter des Klimawandels oft beschworen. Doch vom geologischen Blickwinkel aus verblassen diese Gefahren angesichts weit umfassender Desaster, welche das Leben auf der Erde bisher heimgesucht haben. Dabei ist das Aussterben der Dinosaurier vor 65 Millionen Jahren, für welches die Mehrzahl der Wissenschaftler heute einen Asteroideneinschlag verantwortlich macht, bei weitem nicht das gravierendste derartige Ereignis. „Kaum einer kennt das Massensterben an der Perm-Trias-Grenze vor 250 Millionen Jahren“ sagt einer, der es wissen muss: Balz Kamber, Berner Geochemiker, derzeit in Australien tätig. Er erhielt die diesjährige Paul Niggli-Medaille für „bahnbrechende Leistungen“ in der Geochronologie, jener Wissenschaft, welche die geologische Geschichte der Erde erzählt.

Natürlich wird nun manch einer einwenden, warum ein vor 250 Millionen Jahren stattgefundenes Massensterben Interesse wecken sollte. Nun, schlicht deshalb, weil das Leben auf der Erde sonst ganz anders aussehen würde. Diese Katastrophen verändern den Verlauf der Evolution entscheidend. Solche einschneidenden Ereignisse für die Geschichte des Lebens sind eng mit geologischen Vorgängen verbunden. Die Veränderungen in der Entwicklung des Lebens scheinen nach neusten Ansichten sogar ihrerseits wiederum den Verlauf der geologischen Geschichte zu beeinflussen.

Dem Massensterben an der Perm-Trias-Grenze fielen je nach Lebensraum bis zu 90 Prozent aller Arten in einem Zeitraum von weniger als einer Million Jahren zum Opfer – geologisch gesehen kaum mehr als ein Augenblick. Ursache war ein kompliziertes, derzeit nur teilweise bekanntes Wechselspiel geologischer und klimatologischer Faktoren – unter anderem ein gewaltiger Vulkanausbruch in Sibirien. Bei diesem quollen insgesamt schätzungsweise gegen 1,5 Millionen Kubikkilometer Gestein aus dem Erdinnern und formten die sibirischen Trapps. Heutige Vulkanausbrüche erscheinen dazu wie ein trockenes Hüsteln der Erde.

Mechanismen von Grosskatastrophen

Die genaue Untersuchung der damaligen Vorgänge ist einer der Forschungsschwerpunkte von Balz Kamber. Er will die Mechanismen solcher Grosskatastrophen für das Leben durch die Analyse der zeitlichen Abfolge geologischer Ereignisse ergründen. Kamber meint: „Wir müssen uns fragen, ob das Dinosaurierszenario für alle in der Erdgeschichte stattgefundenen Massensterben gilt, oder ob auch andere Faktoren nebst grossen Meteoriteneinschlägen an solchen Ereignissen mitwirken.“ Ein potenzieller Kandidat sind Vulkanausbrüche.

Solche Vulkanausbrüche sind Folge der Dynamik der Plattentektonik – also die Wanderung der Kontinente und die damit verbundene Erschaffung und Vernichtung von Erdkruste. Die Kruste ist vergleichsweise nur eine dünne, starre, in sogenannte tektonische Platten gegliederte Haut über einem Glutball bestehend aus plastischem Erdmantel und teilweise flüssigem Erdkern. Die verschiedenen chemischen Ele¬mente sind aber innerhalb des Erdkerns, des Erdmantels und der Kruste auf eine charakteristische Weise verteilt. Genau diesen Sachverhalt machen sich Geochemiker wie Balz Kamber zu Nutze. Durch die Untersuchung der Massen- und Isotopenverhältnisse dieser Elemente lassen sich Aussagen über den Verlauf der chemischen Differenzierung – also der unterschiedlichen Verteilung der Elemente in der Erdmasse – machen. Dies einerseits, weil Isotopenverhältnisse sich durch radioaktiven Zerfall kontinuierlich ändern (quasi eine geologische Uhr). Andererseits, weil ändernde Randbedingungen der Differenzierung entgegenwirken. Solche Randbedingungen sind beispielsweise Erosion oder Subduktion, also der Zusammenprall tektonischer Platten, wobei eine Platte in den Erdmantel gedrückt wird und aufschmilzt. Durch Forschung an alten Gesteinen und Modellrechnungen lassen sich ebenfalls Rückschlüsse ziehen (siehe Kasten).

Entstehung der Sauerstoff-Atmosphäre

Mit solchen Methoden gewinnt man Erkenntnisse über die Wachstumsgeschichte der kontinentalen Kruste, ein entscheidender Faktor, will man die Geschichte der Erde schreiben. Die Forschungen von Kamber in diesem Bereich waren eine der Gründe, welche das Preiskomitee der Niggli-Stiftung zur Auszeichnung von Kamber bewogen hat. Denn dieser hat im vergangenen Jahr zusammen mit einem australischen Kollegen gleich zwei grosse offene Fragen der Erdgeschichte in einem Schlag geklärt: Wann wurde die Erdatmosphäre mit Sauerstoff angereichert und wie hat sich diese Veränderung auf die Wachstumsgeschichte der Kontinente ausgewirkt?

Die Bedeutung dieser Frage wird ebenfalls klar, wenn man sie in Bezug zur Geschichte des Lebens setzt. In der frühen Atmosphäre der Erde gab es keinen freien Sauerstoff. Die ersten Lebensformen, welche vor rund 3,65 Milliarden Jahre auftraten, lebten gewissermassen von der in den verschiedenen Substanzen gespeicherten chemischen Energie. Durch die „Erfindung der Photosynthese“ durch einige der frühen Lebensformen – wahrscheinlich sogenannte Cyanobakterien – wurde erstmals freier Sauerstoff produziert. Dieser Sauerstoff konnte sich aber vorerst nicht in der Atmosphäre anreichern, weil er sofort durch damals vorhandenes reduziertes Eisen aufgebraucht wurde (also Rosten im grossen Stil). Bisher dachte man, dass der Zeitpunkt der Sauerstoffanreicherung erst vor gut 500 Millionen Jahren abgeschlossen wurde. Die geochemischen Untersuchungen von Kamber zeigen nun, dass dieser Prozess wohl schon vor zwei Milliarden Jahre abgeschlossen worden war. Kamber: „Die meisten Spezialisten sind heute mit unseren Resultaten einverstanden. Sie fragen sich höchstens, warum sie selbst nicht auf die Idee gekommen sind, mit den von uns verwendeten Methoden die Frage zu klären.“

Neuste Studien zeigen, dass sich zusammen mit der Anreicherung von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre auch die Erosionsrate der kontinentalen Kruste verändert hat, was seinerseits zu einer Verlangsamung des Krustenwachstums geführt hat. Das Leben nimmt somit quasi auch Einfluss auf geologische Prozesse.

Für Kamber ist damit ein weiterer Puzzlestein in der ihn letztlich interessierenden Frage gesetzt: „Wie hat sich aus einem grossen Klumpen kohlenstoffhaltigen Gesteins unsere jetzige Erde mit all ihrem Leben herausgebildet?“ Leben – so wissen wir nun – das sich im Stahlbad geologischer Katastrophen bewähren musste.

Paul Niggli-Stiftung

Die Paul Niggli-Stiftung existiert seit 1943 und erteilt Stipendien auf den Gebieten der Mineralogie, Kristallchemie, Petrografie, Lagerstättenkunde und Geophysik. Ende der 80er Jahre erfolgte die Errichtung einer Stiftung für eine Paul Niggli-Medaille für junge schweizerische Erdwissenschaftler, die hervorragende Leistungen in ihrem Gebiet erbracht haben. Seit 1988 hat die Stiftung zehn solche Medaillen verliehen. Die bisher letzte Auszeichnung erhielt Balz Kamber im Oktober dieses Jahres für seine „bahnbrechenden wissenschaftlichen Arbeiten zur Geochronologie von metamorphen Mineralien, sowie von Beiträgen zur Kenntnis der Wachstumsgeschichte der kontinentalen Kruste und zur Integration der Mineralogie und Petrographie in der geochemischen Modellierung“. Zwei weitere Forscher der ETH Zürich wurden ebenfalls ausgezeichnet, jedoch für andere Arbeiten. Die Medaille und der Barpreis von 5000 Franken wird an „Forscher mit einem grossen Potenzial für eine erfolgreiche wissenschaftliche Karriere“ vergeben, erklärte Stiftungsratsmitglied Thomas Armbruster von der Universität Bern auf Anfrage.

Methoden der Geochemie

Wie die subtilen geochemischen Untersuchungen die genaue Rekonstruktion bestimmter Ereignisse möglich machen, lässt sich am Beispiel der Entstehung der frühen Erdatmosphäre zeigen. Die Erde entstand vor etwa 4,55 Milliarden Jahren. Durch Entgasung des Erdmantels bildete sich schon innerhalb der ersten 100 Millionen Jahre die Uratmosphäre. Diese Aussage kann man heute mit einem Vergleich der Isotopenverhältnisse von Edelgasen aus Atmosphäre und Erdmantel machen.

Isotopen sind verschieden schwere Varianten (Nuklide) desselben chemischen Elements. Messungen zweier Isotope des sehr seltenen Edelgases Xenon – Xenon-129 und Xenon-130 – zeigen, dass deren Massenverhältnis in der Atmosphäre anders ist als im Erdmantel. Im Erdmantel hat es mehr Xenon-129 als in der Atmosphäre.

Dies hat folgende Ursache: Die Häufigkeit von Xenon-130 ist gegeben und unverändert, währenddem die Häufigkeit von Xenon-129 wegen radioaktivem Zerfall von Jod-129, dem Vorläuferelement von Xenon-129, zunimmt. Jod-129 hat mit 17 Millionen Jahren eine im Verhältnis zum Alter der Erde sehr kurze Halbwertszeit (die Zeitspanne, in der die Hälfte des vorhandenen Jods zu Xenon zerfallen ist). Heute ist Jod-129 quasi „ausgestorben“. Vor 4,55 Milliarden Jahren war es nur im Erdmantel vorhanden.

Durch die Entgasung des Erdmantels wurde eine Atmosphäre gebildet, welche ein bestimmtes Massenverhältnis der beiden Xenon-Isotope aufwies, das bis heute konserviert wurde. Im Erdmantel hatte es nach diesem Ereignis aber offenbar immer noch genügend Jod-129, das weiter zerfiel und die Menge des Xenon-129 im Erdmantel ansteigen liess. Da es heute im Erdmantel mehr Xenon-129 gibt als in der Luft, muss also die Uratmosphäre entstanden sein als Jod-129 noch nicht total zerfallen war. Zudem kann man daraus schliessen, dass es nur eine Hauptausgasung des Erdmantels gegeben hat. Wäre vor der Entstehung der Atmosphäre bereits alles Jod-129 zerfallen gewesen, würde man im Erdmantel und in der Atmosphäre die gleichen Isotopneverhältnisse messen. Durch Modellrechnung aufgrund der vorhandenen Unterschiede lässt sich der Zeitpunkt der Atmosphärenentstehung recht genau bestimmen. Ähnliche Überlegungen mit unterschiedlichen Verhältnissen anderer chemischer Elemente lassen Rückschlüsse auf fast alle Aspekte der Erddifferenzierung zu.

Quelle: Thomas Staudacher, Philippe Sarda. Die Entwicklung der Atmosphäre aus dem Erdmantel. Spektrum der Wissenschaft 2/1993. S. 36-43.