Januar 17, 2001 — Wissenschaftler zeichnen ein Bild davon, wie die Erde kurz nach ihrer Entstehung vor 4,56 Milliarden Jahren aussah, basierend auf Hinweisen in den ältesten jemals gefundenen Mineralkörnern.
Winzige Zirkone (Zirkonsilikatkristalle), die in alten Flussablagerungen gefunden wurden, deuten darauf hin, dass die Erde vor 4,3 bis 4,4 Milliarden Jahren, also bemerkenswert kurz nach der Entstehung unseres Planeten, Kontinente und Wasser entwickelte – vielleicht sogar Ozeane und Umgebungen, in denen mikrobielles Leben entstehen konnte.
Unten: Wo die neu entdeckten Zirkone in der Erdgeschichte einzuordnen sind. Bild von Dan Brennan.
Die Ergebnisse zweier Forschergruppen, eine in Australien und die andere in den Vereinigten Staaten, deuten darauf hin, dass sich „flüssiges Wasser auf erdähnlichen Planeten früh stabilisiert“, so der Geologe Stephen Mojzsis, Mitglied des Teams des NASA Astrobiology Institute der University of Colorado, Boulder. „Das erhöht die Wahrscheinlichkeit, Leben anderswo im Universum zu finden“, denn lebensfreundliche Bedingungen können sich offenbar schneller und leichter entwickeln als bisher angenommen.
Es gibt uns auch „eine neue Sicht auf die frühe Erde, wo die Erde schnell abkühlte“, nachdem Gas und Staub im neugeborenen Sonnensystem zu Planeten erstarrten, sagte der Geologe William Peck von der Colgate University in Hamilton, New York. „Es gab schon sehr früh Kontinente und Wasser – und vielleicht Ozeane und Leben -, die später von Meteoriten ausgelöscht wurden, ohne dass es außer diesen Zirkonen irgendwelche Aufzeichnungen gab.“
Bis vor etwa 3,9 Milliarden Jahren schlugen Schwärme von Kometen und Meteoriten oft genug auf die junge Erde ein, um gelegentlich die Oberflächenzonen der Ozeane zu verdampfen und jegliches Leben dort auszulöschen. Der früheste bekannte Beweis für mikrobielles Leben auf der Erde stammt aus Kohlenstoffisotopenmustern, die Mojzsis und Kollegen in 3,85 Milliarden Jahre alten grönländischen Sedimenten untersucht haben.
Nun zeigen die Zirkone aus Westaustralien, dass es vor 4,3 bis 4,4 Milliarden Jahren Kontinente und Wasser gab. „Das Leben könnte die Möglichkeit gehabt haben, 400 Millionen Jahre früher zu beginnen als bisher dokumentiert“, so Mojzsis.
„Das Leben könnte viele Male entstanden sein, nur um dann zertrümmert zu werden, und es kommt erst wieder in Gang, wenn die Meteoriten nachlassen“, fügte Peck hinzu.
Mojzsis und Peck gehören verschiedenen Forschungsteams an, von denen das eine 1999 einen 4,4 Milliarden Jahre alten Zirkon fand und das andere im vergangenen Jahr zwei 4,3 Milliarden Jahre alte Zirkone aus demselben Gebiet der Jack Hills-Felsformation in Westaustralien entdeckte. Beide Gruppen veröffentlichten ihre Studien in der Ausgabe vom 11. Januar 2001 der britischen Zeitschrift Nature.
Der 4,4 Milliarden Jahre alte Zirkon ist „unsere früheste Aufzeichnung der frühesten Kruste“ auf der Erde, sagte Peck. Dieses Zirkon und die etwas jüngeren Zirkonkörner sind etwa 250 Mikrometer breit – weniger als ein Hundertstel eines Zolls.
„Diese Zirkone sind wirklich durch die Mangel gedreht worden“, sagte Peck.
Links: Die Jack Hills Region in Westaustralien, wo die Zirkone entdeckt wurden. Foto von Simon Wilde.
Ihre Geschichte begann irgendwann nach der Entstehung der Erde, als „flüssiges Wasser mit Gestein in Wechselwirkung trat“, sagte er. Diese Wechselwirkung kann auf drei Arten stattfinden: wenn Wasser mit Mineralien im Gestein in Austausch tritt, wenn Kristalle aus der Lösung im Grundwasser wachsen oder wenn Mineralienadern abgelagert werden. Durch die Einwirkung von Wasser erhöhte sich das normalerweise niedrige Verhältnis des seltenen Isotops Sauerstoff-18 zum häufigeren Isotop Sauerstoff-16 in den Gesteinen, sagte er.
Später wurden die Gesteine unterirdisch geschmolzen – oder vielleicht während eines Meteoriteneinschlags – und die Zirkone bildeten sich als Kristalle in geschmolzenem Granit, der abkühlte, um festes Gestein zu bilden.
Der zirkonhaltige Granit wurde schließlich nach oben geschoben und bildete Berge, die später erodierten. Der Granit verschwand, aber die Zirkone kamen schließlich vor 3 Milliarden Jahren in sandigen australischen Flusssedimenten zur Ruhe. Diese Sedimente verfestigten sich später zu Gesteinen, die dann durch Hitze und Druck verändert wurden.
Beide Forschungsteams verwendeten Instrumente, so genannte Ionenmikrosonden, um die Zirkonkristalle zu datieren und zu analysieren, die häufig Uran, Seltenerdelemente und andere Verunreinigungen enthalten. Uran zerfällt mit einer bekannten Geschwindigkeit in Blei. Die Uran-Blei-Verhältnisse in den Zirkonen zeigen, dass sie bereits vor 4,4 bis 4,3 Milliarden Jahren entstanden sind, als sie in geschmolzenem Granit kristallisierten.
Unten: Mikroskopische Ansicht eines Zirkonkristalls (Zirkoniumsilikat), dessen Alter auf 4,4 Milliarden Jahre bestimmt wurde. Foto von John W. Valley
Die kontinentale Kruste unterscheidet sich von der Kruste, die den Ozeanen zugrunde liegt. Granit ist ein häufiges Gestein auf den Kontinenten. Und Zirkone kristallisieren häufig in Granit.
Die Zirkone deuten also darauf hin, dass Granit vor 4,3 bis 4,4 Milliarden Jahren vorhanden war, während der Granit bedeutet, dass es zu dieser Zeit Kontinente gab. Solch altes Granitgestein wurde nicht gefunden; alles wurde später abgetragen oder anderweitig recycelt. Die alten Zirkone sind überlebende Überreste von Krustengranit aus der Frühzeit der Erde.
„Die Tatsache, dass wir einen 4,4 Milliarden Jahre alten Zirkon aus Granit haben, deutet darauf hin, dass es das Gestein der kontinentalen Kruste gegeben haben muss“, sagte der Geologe Sam Bowring vom Massachusetts Institute of Technology.
Die Ionenmikrosondenanalyse der Seltenerdelemente in den Zirkonkristallen ergab ebenfalls Werte, die typisch für kontinentales Gestein sind, so Peck.
Das Vorhandensein von Wasser auf der jungen Erde wurde bestätigt, als beide Gruppen die Zirkone auf Sauerstoffisotope analysierten und die verräterische Signatur von Gesteinen fanden, die von Wasser berührt wurden: ein erhöhtes Verhältnis von Sauerstoff-18 zu Sauerstoff-16.
Als Ergebnis „wissen wir, dass es irgendwann vor 4,4 Milliarden Jahren flüssiges Wasser gab“, sagte Peck. Irgendwo musste sich flüssiges Wasser sammeln, was die Möglichkeit von Ozeanen aufkommen ließ, fügte er hinzu.
Er sagte, es sei auch wahrscheinlich, dass es Ozeane gab, denn „um Kontinente zu bilden, braucht man Wasser.“
Bevor es Ozeane gab, könnten sich bereits riesige Platten der Erdkruste bewegt haben und miteinander kollidiert sein, so dass große Gesteinsblöcke in einem Prozess, der Subduktion genannt wird, nach unten stürzten. Ohne Ozeane hätte dieses Gestein nicht schmelzen können, um kontinentales Gestein wie Granit zu bilden, sagte er.
Unten: Ausschnitt aus der Gesteinsart, in der die Zirkone entdeckt wurden. Der Hammer zeigt den Maßstab. Foto von Simon Wilde.
Als es jedoch noch Ozeane gab, reagierte das Meerwasser mit der Lava, die von unterseeischen Vulkanen an den mittelozeanischen Rücken ausbrach, und hydratisierte sie. Die Lava kühlte dann ab und bildete neuen Meeresboden, der später subduziert wurde. Das in den Mineralien des absinkenden Gesteins eingeschlossene Wasser senkte dessen Schmelzpunkt und löste Vulkanausbrüche aus, die wahrscheinlich zu Inselketten aus Granitgestein führten. Es wird angenommen, dass sich solche „Inselbögen“ schließlich zu Kontinenten zusammenfügten.
„Ozeane, Atmosphäre und Kontinente waren vor 4,3 Milliarden Jahren bereits vorhanden“, so Mojzsis.
Nach Peck könnten sich die ersten Ozeane aus Wasser gebildet haben, das von Kometen auf die Erde gebracht wurde, oder bei frühen Vulkanausbrüchen von den späteren mittelozeanischen Rücken ausgestoßen worden sein.
Die Zirkone deuten darauf hin, dass es vor 4,3 Milliarden Jahren Leben auf der Erde gegeben haben könnte, so Mojzsis, denn drei Schlüsselfaktoren, die für die Entstehung von Leben notwendig waren, waren vorhanden: Energie, organisches Material (von ankommenden Kometen und atmosphärischen Reaktionen) und – den Zirkonen zufolge – flüssiges Wasser.
Kredite: Die Entdeckung des 4,4 Milliarden Jahre alten Zirkons wurde von Peck, Simon Wilde vom Curtin Institute of Technology in Australien, John Valley von der University of Wisconsin, Madison, und Colin Graham von der University of Edinburgh im Vereinigten Königreich gemeldet. Wilde fand das 4,4 Milliarden Jahre alte Korn 1999 bei der Datierung von Zirkonen aus einem 1984 gesammelten Gestein, so Peck. Mojzsis und seine Kollegen gaben an, dass sie im vergangenen Jahr ein Paar 4,3 Milliarden Jahre alte Zirkone aus demselben Gebiet der Jack Hills Felsformation in Westaustralien gefunden haben. Mojzsis arbeitete mit dem Geochemiker Mark Harrison von der University of California, Los Angeles, und Robert Pidgeon vom Curtin Institute of Technology zusammen.