Lebensfähige Erde

Es begann vor 4,5 Milliarden Jahren. Die Reste von fr¨¹heren Sternexplosionen hatten eine Wolke aus Gas und Staub gebildet, die kollabiert war und dabei einen neuen Stern geboren hatte ¨C die Sonne. ?brig gebliebene Gas- und Staubteilchen formten eine Scheibe um den Stern. Kleine Staubk?rner klumpten sich zusammen und wuchsen zu kilometergrossen Brocken. Aus diesen Bausteinen bildeten sich Gesteinsplaneten wie die Erde. Bei einer Kollision mit einem letzten gewaltigen Brocken wurde Masse aus der fr¨¹hen Erde herausgeschleudert, aus welcher der Mond entstand.

F¨¹r die Entwicklung von Leben fehlten im fr¨¹hen, inneren Sonnensystem jedoch wichtige Elemente. ?Die Sonne war damals sehr heiss?, erkl?rt Maria Sch?nb?chler, Professorin am Institut f¨¹r Geochemie und Petrologie der ETH Z¨¹rich. Deshalb enthielten die urspr¨¹nglichen Bausteine in der Erdumlaufbahn kaum fl¨¹chtige Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die sp?ter f¨¹r die Entstehung von Leben unabdingbar waren. ?Unsere Forschungsresultate zeigen aber, dass wir noch w?hrend des Wachstums des Planeten etwas Material von weiter draussen im Sonnensystem erhalten haben, wo k¨¹hlere Temperaturen herrschten und diese fl¨¹chtigen Stoffe kondensieren und in feste K?rper integriert werden konnten?, sagt die Kosmochemikerin.

Brocken und Staub

In der Aufbauphase des Planeten wurde viel W?rme freigesetzt, wodurch das Material schmolz. Metallische Eisenschmelze sank ab und formte den Erdkern. Dar¨¹ber bildete sich ein Magma-Ozean aus geschmolzenem Gestein. Darin l?sten sich die fl¨¹chtigen Verbindungen. Als sich die geschmolzene Erde in den n?chsten Jahrmillionen abk¨¹hlte, verfestigte sich das Magma. ?Es bildeten sich Kristalle, in die fl¨¹chtige Stoffe wie Wasser und Kohlendioxid nicht mehr hineinpassten?, erkl?rt Sch?nb?chler. Diese Stoffe wurden ausgegast und bildeten die erste Erdatmosph?re. ?Das fr¨¹he Sonnensystem war wahrscheinlich ziemlich chaotisch mit vielen herumfliegenden Brocken und Staub?, erg?nzt die Kosmochemikerin: ?Die Erde fegte dieses Material in ihrer Umlaufbahn zusammen und kam so zu noch mehr lebenswichtigen Stoffen, auch wenn der gr?sste Teil des Inventars ¨C entgegen fr¨¹heren Annahmen ¨C schon in der Anfangsphase, noch vor der Geburt des Mondes angesammelt worden war.?

CO₂ loswerden

Die erste Atmosph?re bestand gr?sstenteils aus Wasserdampf und Kohlendioxid. ?Die meisten Modelle kommen zum Schluss, dass die CO₂-Konzentrationen in der Atmosph?re eine halbe Million Mal gr?sser waren als heute?, sagt Derek Vance, ebenfalls ETH-Professor am Institut f¨¹r Geochemie und Petrologie. Das bedingte einen massiven Treibhauseffekt ¨C eine lebensfeindliche Umgebung. Damals m¨¹ssen Temperaturen von ¨¹ber 100 Grad Celsius geherrscht haben. ?Die Erde musste das viele CO₂ in der ersten Atmosph?re loswerden, um bewohnbar zu werden?, sagt der Geochemiker. Noch gibt es keine ¨¹berzeugende Theorie, wie dies geschehen konnte.

?Sp?ter war dies einfach?, sagt Vance: ?Die Erde entledigte sich mehrmals in ihrer Geschichte von zu viel Kohlendioxid in der Atmosph?re. Aber aufgepasst: Dieser Prozess erstreckt sich jeweils ¨¹ber Jahrmillionen und ist keine L?sung f¨¹r unser CO₂-Problem.? Beim nat¨¹rlichen Kohlenstoffkreislauf gelangt das Kohlendioxid durch Regen auf die Erdoberfl?che, wo es in komplizierten chemischen Verwitterungsprozessen das Gestein aufl?st. ?ber das Grundwasser und die Fl¨¹sse werden die Verwitterungsprodukte ins Meer geschwemmt und lagern sich dort auf dem Meeresgrund ab. ?Vereinfacht gesagt, nimmt man CO₂ aus der Luft und platziert Kalkstein im Ozean?, erkl?rt der Geochemiker: ?Dann muss man dieses Gestein in die Tiefe der Erde bringen und neues Gestein herbeischaffen, welches diesen Kreislauf wiederholen kann. Daf¨¹r sorgen auf der Erde die tektonischen Prozesse.?

Besonders wichtig an diesem Kreislauf ist die negative R¨¹ckkoppelung: Wird es auf der Erdoberfl?che heisser, so nimmt die Gesteinsverwitterung zu. ?Das heisst?, so Vance: ?Je mehr CO₂ man der Atmosph?re zuf¨¹gt, desto mehr wird ihr entzogen.? Dieses negative Feedback sorgte auf der Erde f¨¹r stabile Bedingungen, die es f¨¹r die Evolution des Lebens ¨¹ber Jahrmilliarden Jahre brauchte.

Wann sich auf der Erdoberfl?che ein Ozean mit fl¨¹ssigem Wasser und eine Kruste bildeten, ist allerdings umstritten. 4,4 Milliarden Jahre alte K?rner des Minerals Zirkon k?nnten ein Hinweis darauf sein, dass sich die Erde relativ schnell abk¨¹hlte. Ebenso heftig debattiert wird die Frage zum Ursprung des Lebens. Entstand es in den Tiefen der Ozeane oder n?her an der Wasseroberfl?che? Und wann? ?Biolog:innen vermuten, dass es schon vor 4 Milliarden Jahren erste Mikroorganismen gab?, sagt Vance: ?Die ?ltesten Fossilien sind hingegen 3,5 Milliarden Jahre alt, und ich denke, diese sind tats?chlich ein Beweis f¨¹r Leben.? Mit Sicherheit war die Erde vor 3 Milliarden Jahren belebt.

Damals enthielt die Atmosph?re vor allem Stickstoff und noch kaum Sauerstoff. Es war das Leben selbst, das in der Folge die Erdatmosph?re ver?nderte und die Bedingungen f¨¹r die Entwicklung neuer Lebensformen schuf ¨C dank der Photosynthese. Algen wandelten mithilfe der Sonnenenergie Wasser und Kohlendioxid in Zucker und Sauerstoff um. So begann sich vor 2,5 Milliarden Jahren molekularer Sauerstoff (O₂) in der Atmosph?re anzureichern. In grosser H?he absorbierte Ozon (O₃) sch?dliche UV-Strahlung. ?Jede Form von tierischem Leben auf einem Kontinent braucht nicht nur Sauerstoff zum Atmen, sondern auch eine sch¨¹tzende Ozonschicht?, sagt Vance: ?Aber wir h?tten keinen Sauerstoff, wenn es keine Pflanzen g?be.? Auch das Magnetfeld der Erde, erzeugt vom fl¨¹ssigen, ?usseren Metallkern unseres Planeten, sch¨¹tzt uns zus?tzlich vor kosmischer Strahlung.

?Vieles auf der Erde h?tte f¨¹r das Leben katastrophal schieflaufen k?nnen?, sagt Vance. Meteoriteneinschl?ge und gewaltige Vulkanausbr¨¹che verursachten mehrmals einen grossen Anstieg der Treibhausgase in der Erdatmosph?re und damit eine globale Erw?rmung. Bei einem solchen Ereignis vor 252 Millionen Jahren starben 70 bis 80 Prozent aller lebenden Arten aus. Es gab aber auch K?lteperioden, welche den Planeten vielleicht sogar zu einem Schneeball machten. Doch die Erde lebte weiter. Das Fazit des Geochemikers: ?Unser Planet hat die F?higkeit, sich mit dieser negativen R¨¹ckkopplung als stabilisierende Kraft ¨¹ber sehr lange Zeitr?ume selbst wieder zu reparieren.?