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Geologie: Mehrmals tief Luft geholt

Vor 2,4 Milliarden Jahren, darin waren sich Geowissenschaftler recht einig, begann die Sauerstoffära der Erdatmosphäre - und mit ihr der Siegeszug des Lebens, wie wir es heute kennen. Davor: Fehlanzeige in Sachen Sauerstoff. Nun aber steckt ein schwefliger Stachel im Fleisch der scheinbar sicheren These.
Jaspis
Die Geschichte des Lebens ist in Stein geschrieben, und mit ihr das ganze Drumherum der Umweltbedingungen. Allerdings fällt Forschern das Lesen und Übersetzen noch immer schwer, ganz abgesehen davon, dass noch viele Kapitel fehlen – nur selten liegen sie direkt an der Oberfläche. Nur wo unter den Stapeln jüngerer Überlieferungen nach aussagekräftige Spuren frühester Zeiten suchen? Kostbar sind daher Nadelstiche von Tiefbohrungen, die erfolgreich älteste und verständliche Zeugnisse ans Tageslicht bringen.

Jaspis im Pilbara-Kraton | Das Bild zeigt 3,46 Milliarden Jahre alte Jaspis-Lagen des Pilbara-Kratons. Hier stießen die Forscher um Hiroshi Ohmoto auch auf Seesedimente, die deutlich früher als bislang angenommen auf freien Sauerstoff in der Atmosphäre schließen lassen.
Solch aufschlussreiche Piekser in Mutter Erde gelangen Hiroshi Ohmoto vom Astrobiologischen Institut der Nasa und seinen Kollegen im Rahmen des Archean Biosphere Drilling Project. Im Pilbara-Kraton in Nordwest-Australien stießen sie auf die frühesten bekannten Seesedimente und marine Ablagerungen, die ebenfalls zu den ältesten ihrer Art zählen. Mit 2,76 und 2,92 Milliarden Jahren stammen diese Schichten aus dem Archaikum – einer Zeit also, in der das Leben auf diesem Planeten noch keine sauerstoffhaltige Atmosphäre kannte. So zumindest dachte man bislang.

Diese Vermutung basiert auf schwefliger Grundlage: Bei Isotopen-Analysen hatten Forscher in mehr als 2,4 Milliarden Jahre alten Gesteinen eine besondere Verteilung entdeckt, die nach diesem Wendepunkt der Atmosphärengeschichte rasch verschwand. Laborversuche zeigten, dass dieses Muster wohl durch sehr kurzwellige ultraviolette Strahlung entsteht, bei der die energiereiche Strahlung Schwefeldioxid aus Vulkanausbrüchen in elementaren Schwefel und Schwefelsäure zerlegt. Offenbar existierte damals noch keine schützende Ozonschicht und auch kein Sauerstoff in der Atmosphäre, die diesen Prozess verhindert hätten. Das Muster wiederholt sich in mehreren Proben, die Erklärung klingt schlüssig – Szenario akzeptiert.

Stromatolithen | Stromatolithen der 2,74 Milliarden Jahre alten Tumbiana-Formation in Pilbara deuten darauf hin, dass schon im Archaikum Sauerstoff produzierende Cyanobakterien florierten.
Nicht in dieses Bild passen nun aber die Ergebnisse von Ohmotos Team. Denn die Verteilung der Schwefel-Isotope, welche die Forscher in ihren Bohrkernen fanden, ähnelt sehr stark heutigen Werten und kaum den urzeitlichen Überlieferungen. Also musste in diesen bis zu zehn Millionen Jahren, in denen sich die betroffenen Schichten ablagerten, an diesem Ort und zu dieser Zeit zumindest doch Sauerstoff vorhanden gewesen sein, schließen die Wissenschaftler.

Ihre Darstellung von der Vergangenheit sieht daher etwas dynamischer aus, als die bislang verbreitete: Die Atmosphäre kam nicht etwa schlagartig, einmalig und unwiederbringlich zu ihrem Sauerstoff, sondern eher in Form Jojo-artig schwankender Konzentrationen. Demnach könnte sie vor 3,0 Milliarden Jahren tatsächlich noch sauerstofffrei gewesen sein, gefolgt von einem Sauerstoffschub in der Phase bis vor 2,75 Milliarden Jahren, zurück zu anoxischen Verhältnissen bis vor 2,4 Milliarden Jahren, um dann endgültig in heutige Bedingungen umzuschwenken. Wobei sich Ohmoto und seine Mitarbeiter auch durchaus noch mehr Aufs und Abs vorstellen können.

Wem das noch nicht radikal genug ist, der mag sich der vorgeschlagenen Alternative anschließen: Darin postulieren die Wissenschaftler eine sauerstoffhaltige Atmosphäre schon vor 3,8 Milliarden Jahren. Die – dann scheinbaren – Spuren O2-freier Verhältnisse erklären sie mit heftigen Vulkanausbrüchen, die Schwefeldioxid bis weit über die Ozonschicht hinaus in die Höhen schleuderten, wo es von UV-Licht gespalten werden konnte und diese Signatur in die Sedimente eintrug. Aschen des Pinatubo-Ausbruches bestätigen diese Möglichkeit, und angesichts der weitaus höheren vulkanischen Aktivität im Archaikum klingt auch dieses Szenario mindestens diskussionswürdig.

Doch Ohmoto und seine Kollegen gehen noch einen Schritt weiter: Was, wenn die Grundannahme gar nicht stimmt – dass das verräterische Muster allein durch die fotolytische Spaltung von Schwefeldioxid entsteht? Vielleicht gebe es ja noch ganz andere Prozesse, die denselben Effekt haben?
"Vielleicht ist es einfach voreilig zu folgern, dass die besondere Schwefel-Isotopen-Signatur in Gesteinen eine anoxische Atmosphäre anzeigt"
(Ohmoto et al.)
So hatten Forscher Schwefelwasserstoff mit einem ähnlichen Verteilungsmuster der Schwefel-Isotope auch durch thermochemische Reduktion von Sulfat durch Aminosäuren und bei Temperaturen von 170 Grad Celsius erzeugen können. Zusammen mit anderen bekannten Umwandlungsprozessen kamen sie damit den beobachteten Werten sogar erheblich näher als die UV-Variante.

"Vielleicht ist es einfach voreilig zu folgern, dass die besondere Schwefel-Isotopen-Signatur in Gesteinen eine anoxische Atmosphäre anzeigt", schließen die Forscher. Es sei daher wie üblich dringend notwendig, weiterhin möglichst viele fundierte Daten zu sammeln, um die Vergangenheit des Lebens und seines Drumherums rekonstruieren zu können. Mögen die Ergebnisse nun also heftige Diskussionen in der Wissenschaftlergemeinschaft hervorrufen – darin zumindest ist sie sich bestimmt immer noch einig.

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