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Erdgeschichte: Im eisernen Griff

Wann entstand das Leben auf unserem Planeten? Wer waren die ersten Siedler? Und was bedeutete ihr Wirken für spätere Generationen? Gebänderte Eisenformationen gewähren nun einen neuen Einblick in die Kindheit der Erde.
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Der Karijini-Nationalpark gehört zu Westaustraliens großen Attraktionen: knapp 630 000 Hektar Wildnis voll urtümlicher Fauna und Flora aus Kängurus, Waranen, Agamen, Dingos, Akazien und Eukalypten. Der wahre Schatz des zweitgrößten Nationalparks auf dem Fünften Kontinent ist aber nicht seine reichhaltige Tier- und Pflanzenwelt, sondern die Gesteine. Sie bilden die Kulisse aus bizarren Felsformationen und markanten Steilschluchten, deren Mineralien bei Sonnenuntergang farbenprächtige Feuerwerke zünden.

Geologen interessieren diese Lichtspiele wohl eher nur am Rande als Beiwerk, dafür bieten ihnen diese gebänderten Eisenformationen oder Bändererze einen Rückblick in die Anfänge der Erde: Die BIF (Banded Iron Formations) genannten Lagen aus Eisenoxid und Siliziumdioxid gehören zu den ältesten bekannten Gesteinen und sagen daher einiges über die Atmosphäre und Chemie oder das Klima der Erdfrühzeit vor 2,6 bis 3,6 Milliarden Jahren aus. Potenziell könnten sie sogar auf erstes irdisches Leben hinweisen. Doch ihre Entstehungsgeschichte – und damit der Schlüssel zum Verständnis – ist immer noch nicht völlig verstanden.

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Gebänderte Eisenformation | Alternierende Schichten von schwarzen und orangefarbenen Eisen- und Silikatmineralen in 2,5 bis 2,6 Milliarden Jahre alten präkambrischen gebänderten Eisenformationen (Gamohaan Hill, in der Nähe von Kuruman, Northern Cape Province, Südafrika).
Die in dieser Richtung forschenden Geomikrobiologen um Andreas Kappler von der Universität Tübingen können nun vielleicht ihren Teil zur Aufklärung beitragen: Sie haben nach eigenen Angaben erstmals entdeckt, wie Mikroorganismen zur Bildung der Eisenerzlagen beigetragen haben und warum die BIF überhaupt gebändert sind. Bislang existierten widerstreitende Meinungen, wer oder was das im Urozean in rauen Mengen vorhandene zweiwertige zum dreiwertigen Eisen oxidierte, das in den gebänderten Eisenformationen dann ausfiel.

Als heißeste Kandidaten galten bislang Cyanobakterien, die als erste Organismen Fotosynthese betrieben und damit Sauerstoff erzeugten: Über kurz oder lang produzierten sie davon so viel, dass er sich in der Atmosphäre anreicherte und damit späteres Leben ermöglichte. Bis aber die Überschüsse nachhaltig aus den Ozeanen ausgasten, reagierte der entstehende Sauerstoff mit dem im Wasser gelösten Eisen, das dann quasi als Rost ausfiel. Dieser Prozess kann jedoch nur einen Teil der BIF erklären – jene Lagen, die erst vor 2,5 Milliarden Jahren und danach gebildet wurden. Ältere Exemplare ließen sich damit nicht begründen, so die Geowissenschaftler: Die archaischsten BIF stammen aus dem Präkambrium vor vier Milliarden Jahren und folglich aus einer Zeit, zu der es wohl noch keine oder allenfalls vernachlässigbare Cyanobakterien-Rasen gab.

Folglich mussten die Eisenoxidbänder ohne frei verfügbaren Sauerstoff entstanden sein – etwa durch die Reaktion der Metallionen mit im Urozean befindlichen Eisenhydroxiden. Immerhin setzten heiße Quellen am Meeresgrund hohe Mengen an reduziertem zweiwertigem Eisen frei und wurde die frühe Erde noch weit gehend atmosphärenlos mit harter UV-Strahlung gnadenlos befeuert. Laborversuche, in denen diese Bedingungen simuliert wurden, scheiterten jedoch und erbrachten keine wie auch immer gearteten Bänder.

Kappler und seine Kollegen setzten deshalb wieder auf natürliche Helfer: fotoferrotrophe Bakterien, die zum Leben Licht, aber keinen Sauerstoff benötigen und ihre Energie aus der anoxischen Fotosynthese gewinnen, während der sie zwei- zu dreiwertigem Eisen umwandeln. In der Theorie geistern sie bereits seit knapp 40 Jahren durch die Wissenschaft, doch hat man sie erst 1993 tatsächlich in freier Wildbahn isoliert und anschließend im Labor zu Forschungszwecken gezüchtet. Tatsächlich produzieren die Mikroben schlecht kristallisierte Eisenminerale mit positiver Nettoladung, die sich leicht an organischen Kohlenstoff binden und mit diesem zum Meeresgrund hinabschweben, wo sie schließlich unter Druck zu den Eisenerzen Magnetit und Hämatit transformiert wurden. Kurz: Diese Bakterien konnten tatsächlich an der Entstehung der BIF beteiligt gewesen sein.

Doch warum die Bänderung? Warum werden die eisenhaltigen Lagen immer wieder von Silikatschichten abgelöst? Temperaturschwankungen sollen diese Wechsel verursacht haben, meinen nun die Tübinger Forscher nach Laborexperimenten und nachfolgenden geochemischen Modellierungen. Am besten funktionierte die biogeochemische Gesteinsbildung bei Temperaturen zwischen 20 und 25 Grad Celsius: Sanken die Werte unter diese Spanne oder stiegen sie über diese hinaus, lahmten die Ferrobakterien dagegen und stellten die Arbeit ein. Kühlte das Wasser ab, fiel das im Wasser gelöste Siliziumdioxid als Silikat aus – und formte das entsprechende Band. Wurde es wieder wärmer, nahmen die Mikroben ihre Tätigkeit wieder auf, was in einer weiteren Eisenlage mündete: Je nach Zeitraum entwickelten sich so Bänder im Mikrometer- bis Meterbereich.

Was die Temperaturschwankungen im Urozean anbelangt, so können die Forscher noch nicht mit Klarheit sagen, wodurch sie ausgelöst wurden: Wahrscheinlich führten aber bereits damals Meeresströmungen kühleres Wasser von den Polen zum Äquator oder aus der Tiefe nach oben. Leichte Veränderungen der Erdumlaufbahn oder -achse kämen zudem ebenso in Frage wie jahreszeitliche Einflüsse, so die Wissenschaftler. Innerhalb überschaubarer Zeiträume könnten sich so die BIF leicht aufgebaut haben.

Für die Cyanobakterien wären dies schlechte Nachrichten: Sie verlieren damit womöglich ihren Titel als erste Lebewesen – wenngleich sie weiterhin mit ihrer Sauerstoffproduktion die Entwicklung des Lebens grundlegend beeinflussten. Doch auch von den Ferrobakterien profitiert die Menschheit noch heute: Manche der BIF decken einen großen Teil unseres Bedarfs an Eisenerzen.
09.09.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09.09.2008

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