3.000 Jahre alte Bakterien entdeckt

Nanotechnik - Bakterien als Verformungskünstler

Wer kann sich schon ausmalen, was passiert, wenn man ein Haar nicht einmal oder zehnmal, sondern gleich 50.000 Mal spaltet? Von dem Haar sähe man nichts mehr, es wäre unsichtbar. Nur unter dem Rastertunnel-Mikroskop, das in den achtziger Jahren entwickelt wurde, würden Wissenschaftler etwas erkennen. Sie sehen Teilchen oder Partikel, die - und das ist das Besondere - in ihrer winzigen Form anders reagieren als größere.

Um sich die Dimensionen vorzustellen, erwähne ich immer wieder gerne meinen Vergleich: Das Verhältnis zwischen der Erdkugel und einem Fußball darauf ist etwa so wie jenes zwischen einem Nano-Teilchen und dem Fußball, in dem es steckt. Daß Wissenschaftler so winzige Einheiten überhaupt noch beeinflussen können, ist für Laien schon überraschend. Daß Nano nun dabei ist, ins tägliche Leben einzuziehen, empfinden manche sogar als Sensation.

Unsere Erde, der Katastrophenplanet und doch entstand das Leben

Eigentlich ist es ein Wunder, dass es Leben auf der Erde gibt. Denn während seiner frühen Geschichte wurde unser Planet von zahlreichen Katastrophen heimgesucht.

Begonnen hat die Geschichte unseres Planeten in einer Hadäan (vom griechischen Namen „Hades“ für die Unterwelt) genannten Epoche. Geowissenschaftler sprechen von Äonen. Sie währte von der Bildung unseres Planetensystems vor 4,56 Milliarden Jahren bis vor etwa 3,8 Milliarden Jahren.

Die erste Katastrophe kurz nach der Geburt

Dessen Entstehungsphase können die Forscher durch Messungen der Mengenverhältnisse radioaktiver Substanzen beziehungsweise deren Zerfallsprodukte so präzise datieren. Sie finden sich in bestimmten Steinmeteoriten, den Chondriten. Sie enthalten „Chondrulen“ genannte, millimetergroße Kügelchen. Diese entstanden, als die Sonne, bedingt durch die in ihrem Innern einsetzenden Kernfusionsreaktionen, aus einer kollabierenden Gaswolke zu einem leuchtenden Stern geworden war. Ihre Strahlung schmolz die Staubkörnchen, die sie in einer protoplanetarischen Scheibe umkreisten. Diese Tröpfchen verbanden sich zu den Chondrulen, die somit zu den ältesten und einfachsten Objekten des Sonnensystems zählen. Sie bestehen aus Mineralien wie Pyroxen und Olivin. Die Minipartikel kollidierten untereinander sowie mit Staubkörnchen. Dabei verbanden sie sich zu größeren Körpern, den „Planetesimalen“. Aus diesen Klumpen bildeten sich schließlich Asteroiden und letztendlich die Planeten, darunter die Erde.

Diese erlitt kurz nach ihrer Geburt die erste Katastrophe, und zwar gleich die größte von allen. Sie ereignete sich vor 4,53 Milliarden Jahren und nahm vermutlich von einem der Lagrange-Punkte ihren Ausgang. Sie sind nach dem französischen Physiker Joseph-Louis Lagrange benannt. Er hatte im 18. Jahrhundert herausgefunden, dass auf der Bahn eines Planeten auch ein leichteres Objekt umlaufen kann, wenn es um 60 Grad versetzt vor oder hinter dem großen Trabanten herfliegt. Tatsächlich wurden an den Lagrange-Punkten von Mars, Jupiter und Neptun Asteroiden gefunden, die Astronomen tauften sie „Trojaner“.

Zusammenprall mit einem Trojaner

In der Frühzeit des Sonnensystems soll es einen solchen Trojaner auch auf der Umlaufbahn der Erde gegeben haben. Er wuchs, wie die übrigen großen Körper im Sonnensystem, durch Kollisionen mit Planetesimalen weiter. Als er ungefähr zehn bis 15 Prozent der Erdmasse und damit die Größe unseres Nachbarplaneten Mars erreicht hatte, wurde seine Bahn instabil. Er trudelte auf die Erde zu und prallte schließlich mit ihr zusammen.

Die dabei freigesetzte Energie ließ in nur einer Stunde die Kruste und den oberen Gesteinsmantel unseres Planeten schmelzen, eine riesige Lavafontäne schoss empor. Das ausgeschleuderte Material erstreckte sich fast vier Erdradien weit hinaus ins All. Der Eisenkern des Riesenmeteoriten sank durch die glutflüssige Masse in die Tiefe und verband sich mit dem Erdkern. Am folgenden Tag formte das Auswurfmaterial, das nicht zum Boden zurückgefallen war, einen Trümmerring, der die Erde umkreiste. Er war jedoch instabil und verdichtete sich innerhalb eines Jahrhunderts unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft zu einem Gesteinsklumpen – der Erdtrabant war geboren, wie wir ihn heute noch kennen. Deshalb tauften die Forscher den Einschlagskörper „Theia“, nach der Titanin in der griechischen Mythologie, welche die Mondgöttin Selene gebar.

Doch Lasermessungen zeigen, dass sich der Mond auf seiner Bahn um 3,8 Zentimetern pro Jahr von der Erde entfernt. Zudem lassen versteinerte Meeressedimente erkennen, dass der Gezeitenrhythmus in der Frühzeit viel rascher verlief. Dies bedeutet, dass der Mond in den frühen Erdzeitaltern der Erde viel näher war als heute, was am besten mit dem Modell des titanischen Einschlags vereinbar ist. Gegen Ende des Hadäan, vor etwa vier Milliarden Jahren, bildeten sich die ersten Gesteinsschichten, die bis heute überdauerten. Zwar gab es schon ältere Formationen, auch die Bildung der Ozeane setzte vor 4,2 Milliarden Jahren ein, als die bis dahin kochend heiße Erde so weit abgekühlt war, dass sich flüssiges Wasser an ihrer Oberfläche halten konnte und nicht sofort wieder verdampfte. Von diesen Prozessen blieben jedoch keine Spuren erhalten – vermutlich, weil sie durch die nächste planetarische Katastrophe ausgelöscht wurden: das „Große Bombardement“. Es begann vor 4,1 Milliarden Jahren und hielt bis vor 3,8 Milliarden Jahren an.

In dieser Epoche schlugen auf die noch jungen inneren Planeten, also auch auf der Erde, zahllose Asteroiden, Kometen und Planetesimale ein, ihre Durchmesser lagen in der Regel zwischen einem und 50 Kilometern. Sie hinterließen mehr oder weniger große Krater. Auf unserem Planeten verschwanden diese wieder infolge von Verwitterungsprozessen. Auf dem Mond und anderen Körpern, die keine oder eine nur sehr dünne Lufthülle aufweisen, blieben die Krater jedoch erhalten. Ihre Anzahl und Durchmesser lassen auf das Ausmaß des Bombardements schließen. Daten über Zeitpunkt und Dauer des Großen Bombardements lieferten aber auch Altersbestimmungen von Mondgestein, das die Apollo-Astronauten zur Erde brachten.

Den Erdtrabanten trafen 1700 Boliden, die Krater von über 100 Kilometern Durchmesser hinterließen. Auf der größeren Erde könnten es zehnmal so viele gewesen sein. Mondkrater und Ringgebirge haben bis zu 300 Kilometer Durchmesser. Zum Vergleich: Der Meteorit, der vor 65 Millionen Jahren die Dinosaurier auslöschte, hinterließ einen 180 Kilometer großen Krater. Die Mondmeere etwa entstanden als Folge der Einschlagsserie: Aus den Kratern stieg Magma auf, das dunkle Basalt- und Lavadecken bildete. Gravitationsanomalien auf dem Mond werden vermutlich durch die schweren Kerne der eingeschlagenen Asteroiden verursacht.

Im Archäan, das auf das Hadäan folgte, begann das nächste Ereignis von planetenweitem Ausmaß. Dieses Äon dauerte von 3,9 bis 2,5 Milliarden Jahren vor unserer Zeit. Noch vor dem Großen Bombardement hatte sich die zuvor glutflüssige Erdkruste verfestigt. Danach strömten durch gewaltige Vulkanausbrüche Unmengen an Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2), Ammoniak und etwas Stickstoff in die Luft. Diese Gase bildeten die „zweite Atmosphäre“ der Erde. Sie ersetzten die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehende Uratmosphäre. Diese leichten Stoffe hatten sich im Lauf der Zeit ins Weltall verflüchtigt. Die zweite Atmosphäre war sehr dicht und enthielt etwa 100-mal so viel Gas wie die heutige Lufthülle.

Der Umbau der Atmosphäre hängt mit der nun einsetzenden „mineralischen Evolution“ der Erde zusammen. Während des Hadäan gab es nach Berechnungen des Geologen Robert Hazen von der Carnegie Institution in der US-Hauptstadt Washington etwa 350 Mineralien auf der Erde. Am Ende des Archäan waren es über 1500. Diese Entwicklung begann in den frühen Ozeanen. Sie könnten zwar während des Großen Bombardements durch die Hitzeentwicklung mächtiger Einschläge mehrmals vollständig verdampft sein. Doch sie entstanden immer wieder neu. Mit der Zeit löste sich immer mehr CO2 in ihrem Wasser. Es bildete mit ebenfalls darin gelösten Metallen wie Kalzium, Magnesium oder Eisen die sogenannten Carbonate. Diese Salze bildeten am Meeresgrund Sedimente.

In dieser Phase begann auch die Plattentektonik. Zuerst bildeten sich die Kerne fester Gesteinsplatten, die Kratone. Sie bestehen aus gewachsenem Fels, einige davon gibt es noch heute, etwa in den britischen Midlands. Um sie herum bildeten sich die Kontinentalplatten, die sich – getrieben von Umwälzbewegungen im Magma des Erdmantels – zu verschieben begannen. Traf eine ozeanische auf eine kontinentale Platte, wurde erstere unter die letztere geschoben. Dabei tauchte sie in das glutflüssige Magma, ihr Gestein und auch die mitgeführten Sedimente schmolzen. An anderen Stellen quoll das Magma wieder auf, wobei Vulkanzonen entstanden. Durch die Feuerberge kehrte auch der Kohlenstoff in Form von CO2 in die Atmosphäre zurück – der geologische Kohlenstoffzyklus begann. Aufgrund der Kontinentaldrift entstanden auch unterseeische Vulkane. Sie beförderten große Mengen in heißem Wasser gelöste Mineralien in die Ozeane.

Photosynthese ermöglichte höheres Leben

An solchen unterseeischen heißen Quellen entstand möglicherweise das Leben. Weil es noch keinen Sauerstoff gab, mussten die ersten Organismen ihre Energie jedoch anaerob (also sauerstofffrei) gewinnen. Sie veratmeten stattdessen Schwefelverbindungen. Noch heute gibt es an Schwarzen Rauchern in der Tiefsee, aus denen eine heiße Mineralienbrühe sprudelt, Lebensgemeinschaften aus anaeroben Bakterien. Sulfaterze, die 3,6 Milliarden Jahre alt sind, könnten Hinterlassenschaften dieser frühen Lebensformen sein. Einige gaben Methan als Stoffwechselprodukt ab, das sich in der Erdatmosphäre anreicherte.

Dann folgte die eigentliche Revolution, die erst höheres Leben auf unserer Heimatwelt ermöglichte: Die Entstehung einer Sauerstoffatmosphäre. Eine Mikrobe hatte „gelernt“, Photosynthese zu betreiben, also mit Hilfe von Sonnenlicht CO2 und Wasser zu spalten, um daraus Nährstoffe und Biomasse zu erzeugen. Als Abfallprodukt setzt dieser Prozess Sauerstoff frei. Laut einer soeben veröffentlichten Studie des Molekularbiologen James Lake vom Zentrum für Astrobiologie der University of California in Los Angeles erfolgte dieser Schritt vor 2,5 Milliarden Jahren. Damals verschmolzen zwei Linien der Prokaryoten miteinander. Diese urtümlichen Einzeller besitzen keinen Zellkern.

Aus dieser Fusion gingen die Cyanobakterien hervor, die zu den wichtigsten Sauerstoffproduzenten der Erde wurden. Sie erzeugten die dritte Erdatmosphäre, wie wir sie heute noch kennen. Erst jetzt konnte die Evolution hin zu den sauerstoffatmenden höheren Organismen beginnen. Möglicherweise gingen die Pflanzen aus einer ähnlichen Fusion hervor: Ihre Chloroplasten, in denen die Photosynthese abläuft, besitzen eine eigene DNS. Möglicherweise ist es die Erbsubstanz eines frühen sauerstofferzeugenden Einzellers, der von Pflanzenzellen aufgenommen wurde und bis heute in Symbiose mit ihnen lebt.

Zunächst aber gefährdete der freie Sauerstoff das noch junge Leben. Denn für die meisten Organismen war das hoch reaktive Gas tödlich, manche Forscher sprechen deshalb von der „Sauerstoffkatastrophe“, die über die Erde kam. Doch das Leben erwies sich als höchst anpassungsfähig: Heute könnten die meisten Geschöpfe nicht ohne Sauerstoff leben. Dieser Umbau der Erdatmosphäre markiert das Ende des Archäan, dem mit dem Proterozoikum das nächste Äon folgte. Es währte bis vor etwa 542 Millionen Jahren.

Zunächst blieb es auf der Erde ruhig. Neben der Luft reicherten sich auch die Ozeane mit Sauerstoff an. Sie enthielten jedoch viel weniger davon als heute. Dann, vor 840 Millionen Jahren, begann ein neuerliches globales Desaster: Die Erde wurde zum Schneeball. Dies lasen Geologen aus Gletscherablagerungen, die sie weltweit fanden – selbst in Gebieten, die in früheren Erdzeitaltern in tropischen Breiten lagen. Offenbar, so ihre Schlussfolgerung, war die Erde zweimal komplett vereist. Diese „Cryogenium“ genannte Phase soll vor 635 Millionen Jahren wieder geendet haben. In anderen Schichten fanden sich Indizien für sogar fünf Frostperioden, wobei der letzte Erd-Schneeball vor 575 Millionen Jahren aufgetaut sein soll. Manche Forscher glauben dagegen, dass unser Planet nur teilweise von Eismassen bedeckt war. Der Streit ist noch unentschieden.

Etwas klarer sehen die Forscher jedoch bei den Ursachen der globalen Vereisung. Eine Theorie dazu entwarf der russische Klimatologe Michail Budyko. In seinen Modellen löste Eis, das sich über die Polargebiete hinaus ausbreitet, einen starken Rückkopplungseffekt aus. Es reflektiert das Sonnenlicht, was zu einer Abkühlung führt, sodass sich in der betroffenen Region mehr Eis bilden kann. Erreicht die Eisbedeckung ein bestimmtes Maß, ist der Prozess nicht mehr zu stoppen – der ganze Planet gefriert in nur wenigen Jahrzehnten. Dieser Befund machte weltweit als „Eisblitz-Theorie“ Schlagzeilen.

Laut diesem Szenarium überzog eine Eishülle den ganzen Planeten. Die Ozeane waren einen Kilometer tief gefroren, über die Kontinente krochen riesige Gletscher. Im Endeffekt erstarrte die Welt bei globalen Temperaturen von minus 40 bis minus 50 Grad Celsius im Frost. Der Himmel blieb mangels Luftfeuchtigkeit wolkenlos, allenfalls tauchten in großer Höhe ein paar Schleier aus gefrorenem CO2 auf. Nur am Meeresgrund, gedrängt um warme vulkanische Quellen, konnten Algen und Bakterien überleben. Die Supereiszeit währte einige Millionen Jahre lang. Ihre Ursache war vermutlich die damalige Verteilung der Landmassen (siehe die Kolumne „War die Erde einmal ein Eisplanet?“ vom 12.12.2008)

Andere Klimamodellierer aber bemerkten, dass die Erde, einmal von einem Eispanzer bedeckt, auf ewig darin gefangen bliebe. Da wir aber heute in warmen Ozeanen baden können, sollte es eine solche planetenumfassende Vereisung nie gegeben haben. Vermutlich ließen Vulkane den erstarrten Planeten dem Würgegriff des Eises wieder entkommen. Sie stießen gewaltige Mengen an CO2 aus. Normalerweise wäscht Regen das klimawirksame Gas aus der Luft. Im Wasser gelöst, gelangt es ins Meer, wo es in Form von Carbonat-Sedimenten in der Tiefe verschwindet.

In einer gefrorenen Welt aber gibt es weder Regen noch chemische Verwitterung. Das vulkanische CO2 verbleibt in der Atmosphäre und verstärkt den Treibhauseffekt. Die Erde erwärmt sich, bis das Eis schließlich zu schmelzen beginnt. Nun setzt auch die Verwitterung wieder ein. Doch weil dieser Prozess sehr langsam abläuft, könnte der CO2-Anteil in der Erdatmosphäre zum Ende der Vereisungsphasen auf 13 Prozent angestiegen sein, also 350-mal mehr als heute.

Den Weg vom globalen Schneeball zurück zum blauen Wasserplaneten skizzierte der Geochemiker Dan Schrag von der Harvard-Universität. Die Anreicherung des CO2 dauerte viele Millionen Jahre. Dann aber vollzog sich das große Tauen sehr schnell. Zuerst schmolz das Eis auf den Ozeanen. Damit konnte wieder Wasser verdunsten. Wasserdampf aber ist ein noch viel potenteres Treibhausgas als CO2. Er verstärkte die globale Erwärmung, bis eine globale Temperatur von plus 40 oder 50 Grad Celsius erreicht war. In der turbulenten Aufwärmphase tobten titanische Zyklone auf der Erde, zugleich fielen Unmengen an kohlensaurem Regen.

Zugleich erhöhte sich der Sauerstoffanteil von zwei auf 15 Prozent (heute sind es 21 Prozent). Damit war die Bühne frei für das nächste Kapitel in der Erdgeschichte: Die Entstehung des mehrzelligen Lebens. Sie erfolgte im nun beginnenden nächsten Äon, dem Phanerozoikum (etwa: „Das Äon des sichtbaren Lebens“), dessen erstes Erdzeitalter das Kambrium war, das vor 542 Millionen Jahren begann und vor 388 Millionen Jahren endete.

Die Supereiszeiten, glauben manche Forscher, waren eine treibende Kraft der rapiden Evolution. Unmittelbar nach der vermuteten letzten globalen Vereisung entstand die Ediacara-Fauna. Diese Artengemeinschaft umfasste bizarre Geschöpfe, die den Meeresgrund bevölkerten. Danach erfolgte die „kambrische Explosion“, die fast jeden der heute noch lebenden Pflanzen- und Tierstämme hervorbrachte. Vermutlich kollabierten während des globalen Frostes die Populationen der Einzeller. Nur wenige überlebten in weit voneinander entfernten ökologischen Nischen und waren somit genetisch voneinander isoliert. In der folgenden Warmzeit expandierten sie in nun reichlich vorhandene neue Lebensräume, wobei sie sich an die Verhältnisse dort anpassten. Genau dies aber gilt den Evolutionsbiologen als Voraussetzung für die Entstehung neuer Arten.

Seither blieb die Erde von globalen Katastrophen weitgehend verschont. Zwar gab es den natürlichen Wechsel von Eis- und Warmzeiten, Phasen von Supervulkanismus sowie vereinzelte Einschläge großer Meteoriten. Einige davon verursachten Massenaussterben, doch das Leben als Ganzes war nicht mehr in Gefahr. Mittlerweile leben wir im Holozän, der jüngsten geologischen Epoche der Erdgeschichte. Sie begann mit dem Ende der jüngsten Eiszeit vor etwa 11 700 Jahren.

Weil aber menschliche Aktivitäten zunehmend die irdische Umwelt prägen, nannte der Nobelpreisträger Paul Crutzen die gegenwärtige Epoche das Anthropozän (von griechisch anthropos = Mensch). Inwieweit eine weitere globale Katastrophe daraus erwächst, bleibt abzuwarten. Ein massenhaftes Verschwinden von Arten, das mit dem anthropogenen Umbau der Atmos- und Biosphäre einhergeht, hat jedenfalls schon begonnen.

Wenn man sich anschaut, wie viel Leben, wie viele Arten und Spezies im Laufe der Erdgeschichte durch natürliche Ereignisse untergingen, bleibt nur die eine Erkenntnis. Die Erde ist für einen langfristigen Aufenthalt viel zu gefährlich und lebensfeindlich, der ständige Niedergang des Lebens wurde zwar bislang mit einem neuen Aufstieg des Lebens belohnt, aber das muss sich in Zukunft nicht wiederholen. Ich kann wirklich nicht verstehen, dass Menschen, obgleich sie die Erdgeschichte kennen lernen können, immer noch meinen, dass sie erwählten Wesen einer höheren Macht darstellen und im Notfall den Killermeteoriten wegbeten können. Eine größere Katastrophe und die Menschheit ist vernichtet und all ihre Götter, Geister und Religionen vergessen, während das Leben im Universum weitergeht, als wäre nichts passiert. Ihr Prof. Dr. h.c. Klaus-Peter Kolbatz                                                                                                                                Bild ZOOM: Quelle www.klimaforschung.net