Wissenschaftler des New Yorker Zentrums für Astrobiologie des Rensselaer Polytechnic Institute haben die ältesten Mineralien der Erde benutzt, um die atmosphärischen Bedingungen zu rekonstruieren, die auf der Erde sehr bald nach ihrer Entstehung herrschten. Die Ergebnisse, die in der aktuellen Ausgabe von Nature erscheinen, sind der erste direkte Beweis dafür, wie die alte Atmosphäre des Planeten kurz nach seiner Entstehung aussah, und stellen jahrelange Forschungen über die Art der Atmosphäre, aus der Leben auf dem Planeten entstand, direkt in Frage.
Die Wissenschaftler zeigen, dass die Atmosphäre der Erde nur 500 Millionen Jahre nach ihrer Entstehung kein mit Methan gefülltes Ödland war, wie zuvor angenommen, sondern den Bedingungen unserer heutigen Atmosphäre viel näher kam. Die Ergebnisse, die in einem Papier mit dem Titel „The oxidation state of Hadean magmas and implications for early Earth’s atmosphere“ (Der Oxidationszustand von Magmen aus dem Hadäikum und die Auswirkungen auf die frühe Erdatmosphäre) veröffentlicht wurden, haben Auswirkungen auf unser Verständnis davon, wie und wann das Leben auf diesem Planeten begann und woanders im Universum beginnen könnte.
Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass die Atmosphäre der frühen Erde stark reduziert war, was bedeutet, dass der Sauerstoff stark begrenzt war. Diese sauerstoffarmen Bedingungen hätten zu einer Atmosphäre geführt, die mit schädlichem Methan, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff und Ammoniak gefüllt gewesen wäre. Bis heute gibt es weit verbreitete Theorien und Studien darüber, wie das Leben auf der Erde aus diesem tödlichen Atmosphärencocktail entstanden sein könnte.
Wissenschaftler in Rensselaer stellen nun diese atmosphärischen Annahmen auf den Kopf mit Ergebnissen, die beweisen, dass die Bedingungen auf der frühen Erde für die Bildung dieser Art von Atmosphäre einfach nicht förderlich waren, sondern eher für eine Atmosphäre, die von den sauerstoffreicheren Verbindungen dominiert wurde, die man in unserer heutigen Atmosphäre findet – einschließlich Wasser, Kohlendioxid und Schwefeldioxid.
„Wir können jetzt mit einiger Sicherheit sagen, dass viele Wissenschaftler, die sich mit den Ursprüngen des Lebens auf der Erde befasst haben, einfach die falsche Atmosphäre gewählt haben“, sagte Bruce Watson, Professor für Naturwissenschaften am Rensselaer-Institut.
Die Ergebnisse beruhen auf der weit verbreiteten Theorie, dass die Erdatmosphäre durch Gase gebildet wurde, die durch vulkanische Aktivitäten auf der Erdoberfläche freigesetzt wurden. Heute wie in der Frühzeit der Erde enthält Magma, das aus den Tiefen der Erde fließt, gelöste Gase. Wenn sich das Magma der Oberfläche nähert, werden diese Gase in die Umgebungsluft freigesetzt.
„Die meisten Wissenschaftler würden behaupten, dass dieses Ausgasen aus dem Magma der Haupteintrag in die Atmosphäre war“, so Watson. „
Wenn sich Magma der Erdoberfläche nähert, bricht es entweder aus oder staut sich in der Kruste, wo es mit dem umgebenden Gestein interagiert, abkühlt und zu festem Gestein kristallisiert. Diese gefrorenen Magmen und die in ihnen enthaltenen Elemente können buchstäblich Meilensteine in der Erdgeschichte sein.
Ein wichtiger Meilenstein ist Zirkon. Im Gegensatz zu anderen Materialien, die im Laufe der Zeit durch Erosion und Subduktion zerstört werden, sind bestimmte Zirkone fast so alt wie die Erde selbst. Als solche können Zirkone buchstäblich die gesamte Geschichte des Planeten erzählen – wenn man weiß, welche Fragen man stellen muss.
Die Wissenschaftler versuchten, den Oxidationsgrad der Magmen zu bestimmen, die diese alten Zirkone bildeten, um zum ersten Mal überhaupt zu quantifizieren, wie oxidiert die Gase waren, die zu Beginn der Erdgeschichte freigesetzt wurden. Das Verständnis des Oxidationsgrades könnte den Unterschied zwischen bösem Sumpfgas und dem Gemisch aus Wasserdampf und Kohlendioxid, an das wir derzeit so gewöhnt sind, ausmachen, so der Hauptautor der Studie, Dustin Trail, ein Postdoktorand im Zentrum für Astrobiologie.
„Indem wir den Oxidationszustand der Magmen bestimmen, aus denen Zirkon entstanden ist, können wir die Arten von Gasen bestimmen, die schließlich in die Atmosphäre gelangen“, so Trail.
Zu diesem Zweck haben Trail, Watson und ihr Kollege, der Postdoktorand Nicholas Tailby, die Bildung von Zirkon im Labor bei unterschiedlichen Oxidationsstufen nachgestellt. Sie erzeugten buchstäblich Lava im Labor. Auf diese Weise entstand ein Oxidationsmesser, der mit den natürlichen Zirkonen verglichen werden konnte.
Während dieses Prozesses suchten sie nach Konzentrationen eines seltenen Erdmetalls namens Cerium in den Zirkonen. Cer ist ein wichtiger Oxidationsgradmesser, da es in zwei Oxidationsstufen vorkommt, von denen eine stärker oxidiert ist als die andere. Je höher die Konzentrationen des oxidierteren Cer-Typs im Zirkon sind, desto oxidierter war wahrscheinlich die Atmosphäre nach ihrer Entstehung.
Die Kalibrierungen zeigen eine Atmosphäre mit einem Oxidationszustand, der den heutigen Bedingungen näher kommt. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Ausgangspunkt für die künftige Erforschung der Ursprünge des Lebens auf der Erde.
„Unser Planet ist die Bühne, auf der sich das gesamte Leben abgespielt hat“, sagte Watson. „Wir können nicht einmal anfangen, über das Leben auf der Erde zu sprechen, solange wir nicht wissen, was diese Bühne ist. Und die Sauerstoffbedingungen waren von entscheidender Bedeutung, weil sie die Arten organischer Moleküle beeinflussen, die gebildet werden können.“
Obwohl unsere derzeitige oxidierte Atmosphäre die Atmosphäre ist, in der das Leben atmet, lebt und gedeiht, gilt sie nicht als guter Ausgangspunkt für das Leben. Methan und seine sauerstoffarmen Pendants haben ein viel größeres biologisches Potenzial, um von anorganischen Verbindungen zu lebenserhaltenden Aminosäuren und DNA zu gelangen. Daher glaubt Watson, dass die Entdeckung seiner Gruppe Theorien wiederbeleben könnte, dass diese Bausteine für das Leben vielleicht nicht auf der Erde entstanden sind, sondern von anderswo in der Galaxie geliefert wurden.
Die Ergebnisse stehen jedoch nicht im Widerspruch zu bestehenden Theorien über die Reise des Lebens von anaeroben zu aeroben Organismen. Die Ergebnisse quantifizieren die Art der Gasmoleküle, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel in der frühesten Atmosphäre enthalten, aber sie werfen kein Licht auf den viel späteren Anstieg von freiem Sauerstoff in der Luft. Es dauerte noch eine ganze Weile, bis sich der Sauerstoff in der Atmosphäre durch biologische Mechanismen bildete, so Trail.