Lebensfähige Erde

Es begann vor 4,5 Milliarden Jahren. Die Reste von früheren Sternexplosionen hatten eine Wolke aus Gas und Staub gebildet, die kollabiert war und dabei einen neuen Stern geboren hatte – die Sonne. Übrig gebliebene Gas- und Staubteilchen formten eine Scheibe um den Stern. Kleine Staubkörner 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 frühen Erde herausgeschleudert, aus welcher der Mond entstand.

Für die Entwicklung von Leben fehlten im frühen, inneren Sonnensystem jedoch wichtige Elemente. «Die Sonne war damals sehr heiss», erklärt Maria Schönbächler, Professorin am Institut für Geochemie und Petrologie der ETH Zürich. Deshalb enthielten die ursprünglichen Bausteine in der Erdumlaufbahn kaum flüchtige Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die später für die Entstehung von Leben unabdingbar waren. «Unsere Forschungsresultate zeigen aber, dass wir noch während des Wachstums des Planeten etwas Material von weiter draussen im Sonnensystem erhalten haben, wo kühlere Temperaturen herrschten und diese flüchtigen Stoffe kondensieren und in feste Körper integriert werden konnten», sagt die Kosmochemikerin.

Brocken und Staub

In der Aufbauphase des Planeten wurde viel Wärme freigesetzt, wodurch das Material schmolz. Metallische Eisenschmelze sank ab und formte den Erdkern. Darüber bildete sich ein Magma-Ozean aus geschmolzenem Gestein. Darin lösten sich die flüchtigen Verbindungen. Als sich die geschmolzene Erde in den nächsten Jahrmillionen abkühlte, verfestigte sich das Magma. «Es bildeten sich Kristalle, in die flüchtige Stoffe wie Wasser und Kohlendioxid nicht mehr hineinpassten», erklärt Schönbächler. Diese Stoffe wurden ausgegast und bildeten die erste Erdatmosphäre. «Das frühe Sonnensystem war wahrscheinlich ziemlich chaotisch mit vielen herumfliegenden Brocken und Staub», ergänzt die Kosmochemikerin: «Die Erde fegte dieses Material in ihrer Umlaufbahn zusammen und kam so zu noch mehr lebenswichtigen Stoffen, auch wenn der grösste Teil des Inventars – entgegen früheren Annahmen – schon in der Anfangsphase, noch vor der Geburt des Mondes angesammelt worden war.»

CO₂ loswerden

Die erste Atmosphäre bestand grösstenteils aus Wasserdampf und Kohlendioxid. «Die meisten Modelle kommen zum Schluss, dass die CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre eine halbe Million Mal grösser waren als heute», sagt Derek Vance, ebenfalls ETH-Professor am Institut für Geochemie und Petrologie. Das bedingte einen massiven Treibhauseffekt – eine lebensfeindliche Umgebung. Damals müssen Temperaturen von über 100 Grad Celsius geherrscht haben. «Die Erde musste das viele CO₂ in der ersten Atmosphäre loswerden, um bewohnbar zu werden», sagt der Geochemiker. Noch gibt es keine überzeugende Theorie, wie dies geschehen konnte.

«Später war dies einfach», sagt Vance: «Die Erde entledigte sich mehrmals in ihrer Geschichte von zu viel Kohlendioxid in der Atmosphäre. Aber aufgepasst: Dieser Prozess erstreckt sich jeweils über Jahrmillionen und ist keine Lösung für unser CO₂-Problem.» Beim natürlichen Kohlenstoffkreislauf gelangt das Kohlendioxid durch Regen auf die Erdoberfläche, wo es in komplizierten chemischen Verwitterungsprozessen das Gestein auflöst. Über das Grundwasser und die Flüsse 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», erklärt der Geochemiker: «Dann muss man dieses Gestein in die Tiefe der Erde bringen und neues Gestein herbeischaffen, welches diesen Kreislauf wiederholen kann. Dafür sorgen auf der Erde die tektonischen Prozesse.»

Besonders wichtig an diesem Kreislauf ist die negative Rückkoppelung: Wird es auf der Erdoberfläche heisser, so nimmt die Gesteinsverwitterung zu. «Das heisst», so Vance: «Je mehr CO₂ man der Atmosphäre zufügt, desto mehr wird ihr entzogen.» Dieses negative Feedback sorgte auf der Erde für stabile Bedingungen, die es für die Evolution des Lebens über Jahrmilliarden Jahre brauchte.

Wann sich auf der Erdoberfläche ein Ozean mit flüssigem Wasser und eine Kruste bildeten, ist allerdings umstritten. 4,4 Milliarden Jahre alte Körner des Minerals Zirkon könnten ein Hinweis darauf sein, dass sich die Erde relativ schnell abkühlte. Ebenso heftig debattiert wird die Frage zum Ursprung des Lebens. Entstand es in den Tiefen der Ozeane oder näher an der Wasseroberfläche? Und wann? «Biolog:innen vermuten, dass es schon vor 4 Milliarden Jahren erste Mikroorganismen gab», sagt Vance: «Die ältesten Fossilien sind hingegen 3,5 Milliarden Jahre alt, und ich denke, diese sind tatsächlich ein Beweis für Leben.» Mit Sicherheit war die Erde vor 3 Milliarden Jahren belebt.

Damals enthielt die Atmosphäre vor allem Stickstoff und noch kaum Sauerstoff. Es war das Leben selbst, das in der Folge die Erdatmosphäre veränderte und die Bedingungen für die Entwicklung neuer Lebensformen schuf – 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 Atmosphäre anzureichern. In grosser Höhe absorbierte Ozon (O₃) schädliche UV-Strahlung. «Jede Form von tierischem Leben auf einem Kontinent braucht nicht nur Sauerstoff zum Atmen, sondern auch eine schützende Ozonschicht», sagt Vance: «Aber wir hätten keinen Sauerstoff, wenn es keine Pflanzen gäbe.» Auch das Magnetfeld der Erde, erzeugt vom flüssigen, äusseren Metallkern unseres Planeten, schützt uns zusätzlich vor kosmischer Strahlung.

«Vieles auf der Erde hätte für das Leben katastrophal schieflaufen können», sagt Vance. Meteoriteneinschläge und gewaltige Vulkanausbrüche verursachten mehrmals einen grossen Anstieg der Treibhausgase in der Erdatmosphäre und damit eine globale Erwärmung. Bei einem solchen Ereignis vor 252 Millionen Jahren starben 70 bis 80 Prozent aller lebenden Arten aus. Es gab aber auch Kälteperioden, welche den Planeten vielleicht sogar zu einem Schneeball machten. Doch die Erde lebte weiter. Das Fazit des Geochemikers: «Unser Planet hat die Fähigkeit, sich mit dieser negativen Rückkopplung als stabilisierende Kraft über sehr lange Zeiträume selbst wieder zu reparieren.»