Revolution des Lebens Bohrung soll Sauerstoff-Rätsel lösen

Vor knapp drei Milliarden Jahren kam es auf der jungen Erde zu einem dramatischen Wandel: In rasantem Tempo entwickelten sich Lebewesen, für die Sauerstoff kein Gift, sondern Lebenselixier war. Bohrungen in Russland sollen das Rätsel der Sauerstoff-Revolution jetzt lösen.

Von Cornelia Reichert


Beharrlich frisst sich der Meißel durchs Gestein. Meter um Meter Metallgestänge verschwinden im Boden. Bohrung 1A bei Monchegorsk ist beschwerlich: Laster fahren das nötige Spülwasser heran, natürliche Quellen sind in der Nähe spärlich. Dafür gibt es Myriaden von Mücken.

Victor Melezhik vom Norwegischen Geologischen Dienst und sein internationales Team bohren "Far-Deep": Im Rahmen des "Fennoscandia Arctic Russia-Drilling Early Earth-Project", das zum Internationalen Kontinentalen Forschungsbohrprogramm (ICDP) gehört, treiben die Wissenschaftler 15 bis 500 Meter tiefe Löcher in den Boden Nordwestrusslands. Sie erhoffen sich Antworten auf ein geologisches Rätsel: Was geschah, als vor fast drei Milliarden Jahren Sauerstoff in die Atmosphäre kam und das Leben erstmals Luft holte?

Vorher beschränkte sich das Leben auf Meereseinzeller, die ihre Lebensenergie durch Chemosynthese bezogen: Sie bauten Kohlenstoffverbindungen ab, wofür sie Energie aus lichtunabhängigen Stoffumsetzungen nutzten. Als erste lernten vermutlich die sogenannten Cyanobakterien, mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser zu spalten: Aus dem frei werdenden Wasserstoff und Kohlendioxid aus der Luft produzierten sie Zucker. Als Nebenprodukt der eben erfundenen Fotosynthese entstand Sauerstoff.

Sauerstoff war Gift für Lebewesen

"Sein Anteil in den Meeren und in der Luft war mindestens 100-mal, vielleicht auch 100.000-mal niedriger als heute", sagt Harald Strauss von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Trotzdem, so der Geochemiker, ereignete sich damals eine Revolution: Das irdische Leben war angepasst an eine Umgebung ohne Sauerstoff. Für sie war das heutige Lebenselixier reines Gift. "Die Organismen starben oder zogen sich in den tiefen Ozean oder ins Sediment zurück", sagt Strauss. "Der einzige Ausweg war, mit dem neuen Stoff umgehen zu lernen."

Ohne diesen Wandel hätte sich niemals tierisches Leben entwickelt, glaubt David Catling von der University of Washington in Seattle. Im Zuge seiner Forschung zu möglichem weiterem Leben im All hatte der Astrobiologe festgestellt, dass atmende Organismen aus Nahrung etwa zehnmal mehr Energie gewinnen können als Wesen, die ohne Sauerstoff leben. Mehrzelliges Leben bildet sich daher nur auf Planeten, in deren Atmosphäre sich ausreichend rasch Sauerstoff ansammelt, vermutet Catling.

Lage des "Far-Deep"-Projekts: Bohrung in russischer Arktis
Google Earth / TerraMetrics

Lage des "Far-Deep"-Projekts: Bohrung in russischer Arktis

Nach gängiger Ansicht begannen die Umwälzungen vor rund 2,7 Milliarden Jahren. Warum aber dümpelte der Sauerstoffanteil der Luft 400 Millionen Jahre vor sich hin, bevor er endlich vor 2,3 Milliarden Jahren deutlich anstieg? Hatten sich die Cyanobakterien plötzlich ausgebreitet? Oder führten geologische Entwicklungen zu mehr Sauerstoff an der Erdoberfläche?

Spuren dramatischer Ereignisse

Gesteine aus diesem Zeitfenster bergen Signaturen dramatischer Ereignisse: vom Aufbrechen und der Umverteilung der Kontinente, von ausgedehntem Vulkanismus, vom Rosten eisenhaltiger Sedimente, von ersten Kohlenwasserstoff-Lagerstätten am Meeresboden und von einer womöglich komplett überfrorenen Erde. "In Russlands Untergrund finden sich von fast allen Ereignissen Spuren. Er ist das wahrscheinlich beste und vollständigste Datenarchiv weltweit", schwärmt Strauss.

Hat er erst Proben im Labor, wird er sie gezielt nach Pyrit durchsuchen, einer mineralischen Eisen-Schwefel-Verbindung. "Mich interessiert die Verteilung unterschiedlicher Schwefeltypen darin." Die meisten Schwefelatome besitzen 32 Bausteine in ihrem Kern, 16 Protonen und 16 Neutronen. Es gibt aber auch stabile Varianten mit 17, 18 oder 20 Neutronen. Die jeweiligen Anteile der Isotope variieren unter anderem mit dem Sauerstoffgehalt in der Umgebung. "Beim Abbau toter Organismen setzen Bakterien Sulfat zu Sulfid um", erklärt Strauss. "Und das tun sie nicht wahllos. Sie bevorzugten Sulfat, das die leichten Schwefelatome mit nur 16 Neutronen enthält."

Bei den schwereren Varianten ist die Bindungsenergie höher, und die Bakterien können sie nur schwer knacken. Strauss: "Mit den heutigen Messmöglichkeiten können wir punktgenau sagen, welches Pyritkorn biogenen Schwefel enthält." Hieraus schließen die Forscher, wann Biomasse auf diese Weise umgesetzt wurde - und damit auch, seit wann unzweifelhaft Sauerstoff produziert wird. Selbst kleinste Veränderungen können die Wissenschaftler so aufdecken.

Analysen werden Jahre dauern

Bis es so weit ist, muss ein optischer Eindruck reichen. "Im Gelände halten wir nur fest, welche Arten von Gestein zu sehen sind, welche Farbe sie haben, wie grob oder wie fein sie sind und wie gut die Schichtung ist", sagt Strauss, der sich im Oktober selbst einige Wochen an den Geländearbeiten beteiligen wird. Lastwagen fahren die Kerne in ein Zwischenlager an der finnischen Grenze. Geht beim Zoll alles gut, bringen Schiffe die zusammen knapp vier Kilometer langen Bohrkerne nach Trondheim.

Ab Januar werden 20 Arbeitsgruppen aus aller Welt, die an dem Projekt beteiligt sind, die Bohrkerne detailliert untersuchen und beschreiben, röntgen und chemisch analysieren. Erste Ergebnisse wollen Forschungsleiter Melezhik und seine Kollegen im August nächsten Jahres auf einem internationalen Geologenkongress in Oslo vorstellen. Später steht das Material auch anderen Forschern frei zur Verfügung. Anmeldungen gibt es bereits reichlich - es wird viele Jahre dauern, alles zu untersuchen.



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