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Das Geheimnis um die erste Zelle: Globale Voraussetzungen

Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Wo genau liegt der Ursprung? Welche Schritte waren von Nöten? Und wie hängen die komplexen Vorgänge zusammen?
Grand Prismatic Spring, YellowstoneLaden...

2.1 Erste Voraussetzung: Die Planeten und eine Sonne mit System

Wo sollten wir anfangen? Die Rahmenfaktoren, die nicht direkt etwas mit dem Leben zu tun haben, schienen besser bekannt als der Start der organischen Chemie. Also stürzten wir uns auf die Zeit vor dem Beginn des Lebens, auf alles, was mit den planetaren Voraussetzungen zu tun hatte. Sicher hätten wir auch gleich die Anfangsphase des Universums mit einbeziehen können; das erschien uns allerdings für die eigentliche Entwicklung des Lebens auf der Erde etwas weit ausgeholt. Es ist darüber hinaus ein Punkt, der noch weiter im Dunklen liegt als die Entstehung des Lebens selbst. Für den Start von allem wird es immer nur Hypothesen geben, da Experimente, die einen Nachweis erbringen könnten, unmöglich sind. Die eigentlichen Prozesse der Lebensentstehung können unabhängig davon als physikochemische und biochemische Vorgänge gesehen werden. Das, was vorausgesetzt werden muss, ist ab einem bestimmten Zeitpunkt die Existenz von Materie, die die Bildung von Galaxien und Sonnensystemen ermöglichte. Bei der weiteren Betrachtung liegt unser Sonnensystem zwangsläufig im Fokus. Es ist mit dem Planeten Erde das bislang einzige Beispiel, das wir für die Entwicklung einer biologischen Zelle aus primär anorganischer Materie zur Verfügung haben. Wir folgern aus unseren Kenntnissen, dass als Voraussetzung für das Leben grundsätzlich ein Gesteinsplanet möglichst mit einem begleitenden Mond innerhalb eines Sonnensystems notwendig ist. Gleichzeitig ist die Position dieses Systems innerhalb der Galaxie von Bedeutung. Im Zentrum jeder Galaxie finden über ihre gesamte Lebensdauer hinweg Supernovaexplosionen oder Neutronensternkollisionen statt. Hierbei entstehen energiereiche Gammablitze, die eine Gefahr für jedes Leben darstellen. Die Gefährdung nimmt nach außen in Richtung der Spiralarme ab, dorthin, wo sich auch unserer Sonnensystem entwickelt hat.

Die Sonne selbst als Zentrum eines Planetensystems muss eine bestimmte Größe aufweisen. Hiervon hängen unmittelbar ihre Lebensdauer, die Leuchtkraft sowie die Stärke der Anziehungskräfte auf die Planeten ab. Ein Planet, der Chancen für die Entwicklung komplexer organischer Moleküle mitbringen soll, muss in der habitablen, also der bewohnbaren Zone des Sonnensystems liegen und bestimmte Eigenschaften aufweisen. Als bewohnbare Zone definieren Astronomen einen relativ engen Bereich um die Sonne, dessen Abstand von ihr so groß ist, dass Wasser auf den existierenden Planeten in flüssiger Form vorliegen kann. Flüssiges Wasser ist die unbedingte Voraussetzung für Leben, wie wir es kennen. Ein zu großer Abstand zum Zentralgestirn hat Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes zur Folge. Mit einer größeren Nähe wird eine sich bildende Atmosphäre inklusive Wasserdampf durch die hohen Temperaturen und/oder den Strahlungsdruck (Sonnenwind) vernichtet. Ein Schlagwort beschreibt die Situation für die Erde sehr treffend: Sie befindet sich genau am Tripelpunkt des Wassers. Das heißt, es gibt sowohl Eis als auch Wasser und Wasserdampf, also festes, flüssiges und gasförmiges Wasser. Allerdings stimmt es nur eingeschränkt. Die Erde liegt eigentlich so weit von der Sonne entfernt, dass sie von Beginn an als Eisplanet ihre Bahnen hätte ziehen müssen. Aber nach einer Übergangszeit kam ein glücklicher Umstand zum Tragen: die Ausbildung einer Gashülle, die bis heute mit ihren Eigenschaften der Wärmerückstrahlung verhindert hat, dass sich die Oberflächentemperaturen dauerhaft unter null bewegen.

Für den Wärmehaushalt günstig ist darüber hinaus eine Rotation des Planeten und ein begleitender Mond, der die Rotation stabilisiert. Durch eine Rotation werden extreme Klimaverhältnisse ausgeglichen, die bei einem Stillstand zwischen sonnenzugewandter und sonnenabgewandter Seite entstehen. Die Kopplung der Rotation an einen Mond verhindert, dass extreme Neigungsschwankungen der Rotationsachse auftreten, was starke Auswirkungen auf das Klima hätte. Weiterhin sind neben der Existenz von Wasser Rohstoffe erforderlich, die zu einer Kohlenstoffchemie führen. Die Möglichkeiten der Entwicklung alternativer Lebensformen mit anderen Komponenten als Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, zum Beispiel auf Siliziumbasis, werden als äußerst gering eingeschätzt. Es liegen aber lediglich Erfahrungen für eine Biologie mit Kohlenstoff vor, die durch unsere begrenzte, erdbezogene Sicht begründet ist. Weiterhin ist für die Entwicklung des Lebens frühzeitig ein Magnetfeld erforderlich, das den ständig von der Sonne ausgesendeten Partikelstrom abhält. Die Bedeutung des letzten Punktes werde ich noch einmal in einer eigenständigen Betrachtung vertiefen.

2.2 Zweite Voraussetzung: Die Erde – eine Materialsammlung für den Start

Das Leben auf der Erde ist das sichtbare Zeichen, dass alle notwendigen Rahmenbedingungen für sein Entstehen vorhanden waren. Nach Bildung des Zentralgestirns unseres Sonnensystems war ausreichend Staubmaterial in seinem Umfeld vorhanden, aus dem durch fortgesetzte Kollisionen größere Objekte entstehen konnten. Die Partikel verschmolzen zu kleinen und großen Meteoriten, Asteroiden und Planetesimalen, den kilometergroßen Asteroiden, aus denen schließlich immer größere Objekte wurden. Am Ende standen die bis heute verbliebenen Gesteinsplaneten. Die Bildung der ersten Planetesimalen startete vor 4,567 bis 4,568 Mrd. Jahren [1]; die durch gravitative Kräfte gesteuerte Ansammlung zu Planeten, in der Astronomie als Akkretion bezeichnet, fand in den nachfolgenden 30 bis 100 Mio. Jahren statt. Von Bedeutung ist der Zeitpunkt der Mondbildung. Er liegt vor mehr als 4,5 Mrd. Jahren, nach neuesten Berechnungen in einem Zeitfenster von 20 Mio. Jahren nach der Entstehung der Erde. Über seine Bildungsbedingungen gibt es eine intensive Diskussion, die durch alternative Modelle neuen Aufwind erfahren hat. Die größte Zustimmung hat ein Modell, das als Ursache die Kollision der jungen Erde mit einem marsgroßen Planeten, genannt »Theia«, sieht [2]. Hierbei sollen Trümmer von beiden Planeten ins All geschleudert worden sein, die sich anschließend zum Erdtrabanten vereinten. Eine Variante hierzu bringt mehr Energie mit ins Spiel, die bislang ungeklärte Probleme lösen könnte. Einerseits sind die Isotopenverhältnisse der Gesteine von Mond und Erde nahezu identisch, andererseits scheint es bei der Bildung des Mondes einen Verlust an Natrium und Kalium gegeben zu haben. Der Geophysiker Simon Lock von der Harvard University hat hierzu eine viel beachtete Hypothese aufgestellt. Seinen Vorstellungen nach soll die Kollision zwischen Erde und Theia so heftig gewesen sein, dass das gesamte Material oder zumindest ein Großteil beider Planeten verdampfte und anschließend wieder zu fester Materie kondensierte. Aus dieser entstand seinen Berechnungen nach das Tandem Erde-Mond. Die Hypothese könnte sowohl die gleiche Isotopenverteilung verschiedener Elemente auf Erde und Mond als auch den Verlust an Kalium und Natrium im Mondgestein erklären helfen [3, 4].

Eine statistische Auswertung der Einschlagskrater auf dem Mond zeigt, dass es eine Phase zwischen 4,1 und 3,8 Mrd. Jahren gegeben haben muss, in der verstärkt Asteoriden auf den Planeten und dem Mond einschlugen (»heavy bombardement«) [5]. Mit jeder Kollision der Fragmente wurde die Bewegungsenergie überwiegend in Wärme umgewandelt. Das bedeutet, dass das Anwachsen zu einem Planeten wie der Erde nur in Verbindung mit einer starken Aufheizung möglich war. Die Temperatur erreichte so hohe Werte, dass Teile der Gesteinsmassen glutflüssig wurden, allerdings nicht der gesamte Planet. Nach älteren Berechnungen dauerte es ca. eine Milliarde Jahre, bis durch Zerfall radioaktiver Isotope der Temperaturanstieg so hoch war, dass bei den herrschenden Druckverhältnissen in Tiefen bis 1000 km Eisen zu schmelzen begann. Abschätzungen über die Temperaturentwicklung zeigen, dass erst hierdurch eine Materialtrennung in einen eisenreichen Kern und den Mantel aus Gesteinsmaterial möglich war. Diese Situation beschreibt heute noch die Verteilung der Materialien im Erdinneren. Allerdings wurden die Berechnungen wieder in Frage gestellt, als sich die Vorstellungen über die Entstehung des Mondes konkretisierten. Sollte nach Bildung der Erde eine Kollision mit einem weiteren Planeten stattgefunden haben, war dies eine deutliche Zäsur in der Abkühlungsgeschichte des jungen Planeten. Ob eine schlagartige Temperaturerhöhung, die mit einer derartigen Kollision zu erwarten ist, zur teilweisen oder vollständigen Aufschmelzung der Erde führte, ist Stand der Diskussion (siehe einleitenden Absatz zu Abschn. 2.2). Von größter Bedeutung für die Entstehung des Lebens ist hierbei die Bildung des Erdkerns. Seine Entstehung aus einer Mischung aus flüssigem Eisen und Nickel legte den Grundstock für die Entwicklung des Erdmagnetfeldes [6].

Gleich mit der ersten Abkühlung, noch vor der Bildung des Mondes, muss es eine erste Krustenbildung aus einem Hochtemperaturbasalt gegeben haben, der besonders reich an Magnesium und arm an Silizium und Aluminium war. Dieser Basalttyp wird als Komatiit bezeichnet. Die erste Kruste wurde, sofern sich das Kollisionsmodell bestätigt, durch den Zusammenprall mit dem marsähnlichen Planeten vernichtet. Mit erneuter Abkühlung bildete sich eine Kruste, die wieder aus dem Hochtemperaturbasalt Komatiit bestand. Von ihm existieren heute nur noch wenige Relikte auf der Erdoberfläche. Über eine Atmosphäre vor und unmittelbar nach der Bildung des Mondes ist nichts bekannt. Quellen von gasförmigen Stoffen waren genug vorhanden, wobei ein Teil der Gase aus dem Erdinneren stammte. Sie gelangten durch Spalten und Vulkaneruptionen an die Oberfläche. Ein anderer Teil kam mit nachfolgenden Meteoriten und Kometen aus einem Gürtel, der einen zu großen Abstand zur Sonne hatte, als dass die flüchtigen Komponenten verdampfen konnten. Die Anziehungskraft der Erde war zu dieser Zeit eigentlich ausreichend groß, sodass Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff nicht ins Weltall entweichen konnten. Trotzdem ist die längere Existenz einer Atmosphäre zu hinterfragen, da sich vermutlich noch kein ausreichend starkes Magnetfeld in der Erde ausgebildet hatte, das Schutz vor dem Sonnenwind hätte bieten können.

Das planetare Magnetfeld ist die Ursache dafür, dass der ständig abgegebene Partikelstrom von der Sonne (Sonnenwind) nicht die Erdoberfläche erreicht. Heute bekommen nur nach besonders starken Eruptionen auf der Sonnenoberfläche geladene Teilchen in den Polregionen Kontakt zur Atmosphäre, wo sie Partikel anregen, die die faszinierenden Polarlichter hervorrufen. Ein schwächeres Magnetfeld, wie es in der Frühphase der Erdentwicklung vorlag, verschob die Magnetopause dichter an die Erde heran. Die Magnetopause ist die Grenze, an der der dynamische Druck des Sonnenwinds gleich dem dynamischen Druck des Magnetfeldes ist, also die Barriere, die den Plasmastrom nicht durchlässt, sondern zur Seite ablenkt. Starke Eruptionen auf der Sonnenoberfläche können aber im Fall einer erdnahen Magnetopause dazu führen, dass der Plasmastrom die Grenze durchbricht und die Erdoberfläche erreicht. So muss für die junge Atmosphäre davon ausgegangen werden, dass Teile von ihr immer wieder durch solche Ereignisse erodiert wurden. Die Sonne sendete in der Anfangsphase einen im Vergleich zur heutigen Zeit hundertfach stärkeren Sonnenwind aus. Dieser Partikelstrom traf zu Beginn ohne Magnetfeld ungeschützt auf die sich bildende Atmosphäre, die ihm nicht standhalten konnte. Sie wurde mitgerissen, so wie diejenige des Mars, der heute keine nennenswerte Atmosphäre mehr besitzt. Die Marsatmosphäre beträgt weniger als ein Hundertstel des Atmosphärendrucks der Erdatmosphäre.

Einfache organische Moleküle konnten sich von Beginn an in geringen Konzentrationen auf Landmassen oberhalb der Wasseroberfläche entwickeln. Dies geschah durch Kontakt von Oberflächenwässern mit heißen Laven und Gasen oder durch Reaktionen, die aufgrund der energiereichen Strahlung der Sonne stattfanden. Weiterhin gab es einen geringen Eintrag organischer Moleküle aus dem Weltall. Alle ungeschützt dem Sonnenwind ausgesetzten organischen Moleküle wurden nach kurzer Zeit zerstört. Gleiche Wirkung hatte die sehr starke ultraviolette Strahlung, deren Strahlungsanteil zu Beginn der Sonnenaktivität deutlich höher war als heute. Verstärkend kam hinzu, dass es noch keine schützende Atmosphäre mit einem Ozonschild gab, der erst nach dem Beginn der biologischen Sauerstoffproduktion vor mehr als 2,4 Mrd. Jahren in den oberen Schichten der Gashülle in ausreichender Mächtigkeit gebildet werden konnte (Abb. 2.1: O2 in der Atmosphäre, in dieser Leseprobe nicht enthalten).

Im Nordwesten Australiens gibt es mit die ältesten Gesteine, die auf der Erdoberfläche zu finden sind. Sedimentgesteine führen neben Quarz häufig sehr stabile Zirkone, die wiederum magnetische Einschlüsse besitzen können. Aus ihnen lassen sich Hinweise auf ein Magnetfeld erkennen, das zur Zeit des Einschlusses gerade geherrscht hat. Untersuchungen an derartigen Mineraleinschlüssen aus den Jack Hills in Westaustralien deuten darauf hin, dass bereits vor 4 Mrd. Jahren ein Magnetfeld existiert haben kann, allerdings mit einer Stärke von nur etwa 12 % des heutigen Feldes [7] Die ermittelten Werte sind aber durch temperaturbedingte Einflüsse während einer nachfolgenden Überprägung der Gesteine mit hohen Temperaturen und Drucken (Gesteinsmetamorphose) mit größeren Unsicherheiten behaftet. Aus Mineralen jüngerer Gesteine von vor 3,4 Mrd. Jahren konnten Feldstärken gemessen werden, die mindestens 50 % des heutigen Erdmagnetfeldes entsprechen [8]. Dies zeigt trotz größerer Unsicherheiten in den gewonnenen Daten, dass der Aufbau des Magnetfeldes eines größeren Zeitraums bedurfte. Durch seine anfänglich geringe Stärke gab es auf der Erdoberfläche erhebliche Probleme bei der Entwicklung organischer Moleküle, ihrem Erhalt und dem Ausbilden von Reaktionsketten, die zu komplexeren Molekülen führen konnten.

Die Besonderheit der Marsatmosphäre

Die fehlende Atmosphäre auf dem Mars soll mit einer anderen Entwicklung des Planetenkerns zusammenhängen. Dieser war zu Beginn ebenfalls flüssig, wurde aber sehr schnell fest. Während der flüssigen Phase existierte entsprechend ein Magnetfeld, das den Sonnenwind abschirmte. In dieser Zeit gab es fließendes Wasser und eine Atmosphäre. Nach Kristallisation der Eisenschmelze im Kern des Mars brach sein Magnetfeld zusammen. Es folgte der Angriff des Sonnenwindes, der die Atmosphäre und das Wasser, das verdampfte, mit sich riss [9, 10]. Es gibt Überlegungen, dass der junge Mars ebenfalls Bedingungen für die Entstehung des Lebens bereitgestellt hat, eine Entwicklung zu niederem Leben aber durch die beschriebenen Verhältnisse verhindert wurde.

Literatur

1. Connelly JN, Bizzarro M, Krot AN, Nordlund A, Wielandt D, Ivanova MA (2012) The absolute chronology and thermal processing of solids in the solar protoplanetary disk. Science 338:651–655

2. Canup RM (2012) Forming a moon with an Earth-like composition via a giant impact. Science 338(6110):1052–1055

3. Ćuk M, Hamilton D, Lock SJ, Stewart ST (2016) Tidal evolution of the moon from a high-obliquity, high-angular- momentum Earth. Nature 539:402–406

4. Lock SJ, Stewart ST, Petaev MI, Leinhardt ZM, Mace MT, Jacobsen SB, Ćuk M (2018) The origin of the moon within a terrestrial synestia. J Geophys Res 123(4):910–951

5. Morbidelli A, Lunine JI, O’Brien DP, Raymond SN, Walsh KJ (2012) Building terrestrial planets. Ann Rev Earth Planet Sci 40:251–275

6. Labrosse S, Hernlund JW, Coltice N (2007) A crystallizing dense magma ocean at the base of the Earth’s mantle. Nature 450:866–869

7. Tarduno JA, Cottrell RD, Davis WJ, Nimmo F, Bono RK (2015) A Hadean to Paleoarchean geodynamo recorded by single zircon crystals. Science 349(6247):521–524

8. Tarduno JA, Cottrell RD, Watkeys MK, Hofmann A, Doubrovine PV, Mamajek EE, Liu D, Sibeck DG, Neukirch LP, Usui Y (2010) Geodynamo, solar wind, and magnetopause 3.4 to 3.45 billion years ago. Science 327:1238–1240

9. Jakosky BM, Lin RP, Grebowsky JM et al (2015) The mars atmosphere and volatile evolution (maven) mission. Space Sci Rev 195(1–4):3–48

10. Lammer H,·Zerkle AL, Gebauer S (2018) Origin and evolution of the atmospheres of early Venus, Earth and Mars. Astron Astrophys Rev 26:2. https://doi.org/10.1007/S.00159-018-0108-y

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