(4) Ereignisse im Präkambrium

1. (4) Ereignisse im Präkambrium (c) G. Larson Klima 15

2. Geologische Zeitskala Biostratigraphie Um Rückschlüsse auf einschneidende Ereignisse oder globale und regionale Veränderungen in der Erdgeschichte ziehen zu können, sind Erdwissenschafter auf die sogenannte geologische Zeitskala angewiesen. Diese gliedert die verschiedenen Gesteinsschichten der Erde in Zeitalter und schafft eine einheitliche Sprache. Die Einteilung von Gesteinen in Altersabschnitte wird durch typische Fossilien ermöglicht. Die Grenze zwischen einzelnen Erdzeitaltern lässt sich am Verschwinden einer vorherrschenden Art und dem gleichzeitigen Auftreten einer neuen Art von Fossilien feststellen (Biostratigraphie). Die geologische Zeitskala wird durch Äonen, Ären, Perioden und Epochen unterteilt. Hier sind Leitfossilien von besonderer Bedeutung, sie sind häufig, geographisch weit verbreitet, leicht zu bestimmen, und haben nur für kurze Zeit gelebt. Mit dieser Methode wurde für das Phanerozoikum, die Zeit des „gut sichtbaren Lebens“ schon im 19. Jhdt eine genaue relative Zeitskala errichtet. Erst in diesem Äon der Erdgeschichte bildeten die Lebewesen Schalen oder Skelette, die besser erhalten blieben. Das Präkambrium Ein absolute Zeitskala wurde erst mit der radiometrischen Datierung möglich. Das Phanerozoikum begann damit vor 542 Millionen Jahren (= Mega-annum Ma). Aus den ca. 4 Milliarden Jahren (= Giga-annum, Ga) davor gibt es fast keine Fossilien, diese lange Zeit wird als Präkambrium bezeichnet (das Kambrium ist die älteste Periode des Phanerozoikums). Das Präkambrium wird in die Äonen Archaikum und Proterozoikum unterteilt, die Grenze zwischen beiden wurde bei 2.5 Ga gezogen. Als Hadaikum wird gelegentlich die Zeit bezeichnet, aus der kein Krustenmaterial bekannt ist. Mit der Entdeckung von immer älterem Krustengestein verschiebt sich damit natürlich laufend die Grenze zwischen Hadaikum und Archaikum. Klima 16

3. Ereignisse im Archaikum Von den Ereignissen im Hadaikum gibt es, definitionsgemäß, auf der Erde keine nennenswerten Spuren mehr. Hier ist die Bildung der ersten Erdkruste anzusiedeln, die Bildung der sekundären Atmosphäre, und die Entstehung der Ozeane. Einige größere Krustenbereiche, z.B. in Kanada, Grönland und Australien, haben ein Alter von knapp unter bis knapp über 3.8 Milliarden Jahren. Zu dieser Zeit gab es offenbar eine Phase von intensiver Bildung kontinentaler Kruste. Diese Bereiche bilden heute die „Kerne“ der sogenannten Kratone (auch „Alte Schilde“ genannt). Älteres Krustengestein (bis 4.0 Ga) ist bis jetzt nur „in Spuren“ gefunden worden, es hat aber sicher mehr davon gegeben, da die Gesteine der ca. 3.8 Ga alten Isua Formation in Grönland z.T. Sedimente sind, die in Teilen aus Überresten älteren Krustengesteins bestehen. Praktisch alle derart alten Gesteine sind später durch Metamorphose stark verändert worden, dadurch ist auch häufig die Datierung schwierig durchzuführen. Die Grenze zwischen Hadaikum und Archaikum wird daher, wenn überhaupt, meist bei 3.8 Ga oder 4.0 Ga gezogen. Das Vorhandensein von Sedimentgesteinen zeigt uns auch, dass es mindestens seit 3.8 Ga Ozeane gibt hat (wahrscheinlich schon seit ~4.2 Ga). Ein Magnetfeld, ähnlich dem heutigen, gibt es seit mindestens 3.5 Ga – so alt sind die (bis jetzt) ältesten magnetisierten Gesteine. Höchstwahrscheinlich gab es aber bereits ein Magnetfeld, als sich der Kern der Erde bildete. Aus dem gesamten Archaikum gibt es nur wenige Spuren, die Rückschlüsse auf das damalige Klima erlauben, die Bedingungen waren aber offenbar so, dass es durchgehend flüssiges Wasser auf der Erde gegeben hat. In den gesamten ersten 2 Milliarden Jahren der Erdgeschichte gibt es keinen einzigen Hinweis auf Gletscher. Die Temperaturen waren also höchstwahrscheinlich höher als heute. Klima 17

4. Entstehung des Lebens Offenbar schon zu Beginn des Archaikums entstand auf der Erde das Leben. Bausteine des Lebens, wie Aminosäuren, findet man z.T. sogar in Meteoriten. Unter den sauerstoff-freien Bedingungen der frühen Erde konnten sie sich in jedem Fall leicht bilden. Wie und wo allerdings das erste „richtige“ Leben auf der Erde entstanden ist, ist nach wie vor heftig umstritten. Vorgeschlagen wurden, unter anderem, der Urozean („Ursuppe“), Süßwasserseen, Tonmineralien, Meereis, oder überhaupt ein Ort jenseits der Erde (Transport von Bakteriensporen in Kometen – „Panspermie“). Domänen des Lebens Fast 3 Milliarden Jahre lang wurde die Erde ausschließlich von Einzellern bewohnt. Im Archaikum gab es wohl ausschließlich Prokaryoten, Einzeller ohne Zellkern und Zell-Organellen. Sie bilden zwei der drei Domänen des Lebens: Bakterien und Archaea (früher Archaebakterien). Die dritte Domäne sind die Eukaryoten, Lebewesen mit echtem Zellkern (unter anderem wir). Die Herrscher des Archaikums Prokaryoten gehören zu den Erfolgsmodellen der Evolution, sie besiedeln alle nur denkbaren Lebensräume, vom Krustengestein, viele Kilometer unter der Erde, über heiße Quellen bis zu unserem Verdauungstrakt. Viele haben sich über Jahrmilliarden kaum verändert (weil es gar nicht nötig war) und sind nahezu unzerstörbar. Insbesondere Archaeen sind häufig extremophil insbesondere thermophil, einige fühlen sich erst bei Temperaturen über 80°C richtig wohl. Da Prokaryoten allerdings i.d.R. keine harten Teile bilden, ist es extrem schwierig, Überreste von ihnen zu finden. Funde von fossilen Prokaryoten sind daher meist heftig umstritten. Die ältesten einigermaßen gesicherten Exemplare sind etwa 3.5 Ga alt (Farbfolie 64). Es gibt allerdings indirekte Hinweise auf noch älteres Leben. Klima 18

5. Frühes Leben Kohlenstoffisotope Natürlicher Kohlenstoff besteht aus den stabilen Isotopen12C (Kohlenstoff-12) mit 6 Protonen und 6 Neutronen, und 13C (Kohlenstoff-13) mit 6 Protonen und 7 Neutronen. Bei biologischen Prozessen wird immer das häufigere Isotop bevorzugt, in diesem Fall 12C. Kohlenstoff, der im Sedimentgestein der Isua-Formation eingelagert ist, hat ein Isotopenverhältnis, das dem von biologisch erzeugtem Kohlenstoff entspricht. Das ist nicht mehr als ein Indiz, aber vielleicht gab es Leben auf der Erde schon vor 3.8 Ga. Cyanobakterien (früher „Blaugrüne Algen“ genannt) sind für eine der wichtigsten Erfindungen des Lebens verantwortlich – die Photosynthese. Cyanobakterien gab es schon vor mindestens 3.5 Ga. Die Fossilien der Bakterien selbst sind zwar umstritten (Farbfolie 62, linkes Bild), Cyanobakterien bilden aber, obwohl sie Einzeller sind, große Strukturen - die Stromatolithen. Stromatolithen sind biogene Sedimente aus feinschichtigem Kalk. Mit ihrem schaligen Aufbau aus Knollen, Säulen oder welligen Lagen ähneln sie einem großen Karfiol. Die Kalkablagerungen werden werden durch Cyanobakterien verursacht, diese bilden Biofilme (Mikrobenmatten), in denen Partikel eingefangen und gebunden werden. Durch die Stoffwechsel-Aktivität der Cyanobakterien kommt es zu einer Mineralisation von Karbonaten. Fossile Stromatolithen aus dem Archaikum sind weit verbreitet, die ältesten sind etwa 3.5 Ga alt. Stromatolithen entstehen auch heute noch, allerdings nur in speziellen ökologischen Nischen – Lagunen und Seen mit hohem Salzgehalt, z.B. in der Sharkbay in Australien. Die Photosynthese wurde in der Evolution nur einmal „erfunden“. Alle höheren Pflanzen, die Photosynthese betreiben, tun das mit Hilfe von Chloroplasten, ehemaligen Bakterien, die von größeren Zellen eingefangen wurden, und in ihnen als Zell-Organellen weiterleben (Endosymbiose). Seit 3.5 Ga wird also auf der Erde Sauerstoff produziert, anfangs ohne größere Konsequenzen, aber das sollte sich später drastisch ändern. Klima 19

6. Probleme mit der Sonne Das Problem der „Schwachen jungen Sonne“ auch „faint young sun paradox“. Wie wir gesehen haben, war die Leuchtkraft der Sonne zu Beginn der Erdgeschichte 30 % geringer als heute, trotzdem war es auf der Erde vermutlich sogar wärmer als heute. Die „schwache Sonne“ war im frühen Archaikum noch kein größeres Problem, da sich noch genügend CO2 in der Atmosphäre befand, um die geringere Leuchtkraft durch einen verstärkten Treibhauseffekt auszugleichen. Spätestens vor 2.8 Ga taucht aber ein Erklärungsproblem auf: Zu dieser Zeit hatte die Sonne etwa 80 % ihrer heutigen Leuchtkraft. Ein Atmosphärenanteil von etwa 2 % CO2 (~ 50 x der heutige Wert) wäre dabei nötig gewesen, um auf der Erde Temperaturen über dem Gefrierpunkt zu ermöglichen. Bei einer derart hohen Kohlendioxid-Konzentration bildet sich aber, bei Abwesenheit von Sauerstoff, das Mineral Siderit (Eisenkarbonat). In Gesteinen entsprechenden Alters fehlt aber jeder Hinweis darauf. Ein anderes Treibhausgas muss also mitgewirkt haben. In Frage kommt z.B. NH3 (Ammoniak), das wird aber durch die UV-Strahlung der Sonne zu schnell zerstört. Der aussichtsreichste Kandidat ist: Methan Methan, CH4, ist ein ausgesprochen effizientes Treibhausgas. In der heutigen Atmosphäre hat es allerdings nur eine Lebensdauer von ca. 10 Jahren, da es durch Reaktion mit dem Hydroxyl-Radikal OH zerstört wird. In einer sauerstoff-freien Atmosphäre beträgt die Lebensdauer dagegen ca. 10000 Jahre. Schon die heutige Produktionsrate von Methan würde genügen, um bei diesen Bedingungen einen ausreichend hohen Methangehalt der Atmosphäre zu ermöglichen (~ 0.1 %). Methan-bildende Archaeen und Bakterien (Methanogene) können nur in einer sauerstoff-freien Umgebung überleben, z.B. in Kuhmägen oder im Schlamm überfluteter Reisfelder. Heutige Methanogene mögen es gerne heiß, viel haben ihr Optimum bei 40 °C, manche sogar erst bei 85 °C. Klima 20

7. Mikroben als Klimaschützer Ein Regelkreis für das Klima im Archaikum Wir haben hier also die Voraussetzungen für eine positive Rückkoppelung: Wenn es wärmer wird, gedeihen Methanogene besser, sie produzieren daher mehr Methan, dieses verstärkt den Treibhauseffekt, dadurch wird es noch wärmer. Ab einem Methangehalt von ca. 0.1 % tritt aber auch eine negative Rückkoppelung ein: Unter dem Einfluss von Sonnenlicht bilden sich Polymere (längerkettige Kohlen-wasserstoffe), sogenannte Paraffine. Diese lagern sich an Staubpartikeln an und bilden einen organischen Dunst, der Sonnenstrahlung reflektiert. Auf dem Saturnmond Titan gibt es diese Situation auch heute, dort ist der organische Dunst für eine Abkühlung um etwa 7 °C verantwortlich. Damit haben wir einen Regelkreis, der das Klima im Archaikum stabilisiert. Es gibt keine direkten Beweise, dass es genau so abgelaufen ist, der Prozess ist aber sehr plausibel. Zahlreiche Hinweise zeigen allerdings, dass es in der Welt des Archaikums tatsächlich keinen freien Sauerstoff gab. Eine sauerstoff-freie Welt Der wichtigste Hinweis auf eine Welt ohne freien Sauerstoff sind Bändereisenerze, die sich im Archaikum in großen Mengen am Grund der Ozeane abgelagert haben. Sie zeigen, dass die Ozeane große Mengen an gelöstem Eisen enthielten. Das ist nur möglich, wenn es keinen freien Sauerstoff gibt. Atmosphärischer Sauerstoff über-führt zweiwertiges Eisen nämlich sofort in unlösliche Verbindungen des dreiwertigen Eisens. Dadurch können keine größeren Eisenmengen ins Meer gelangen. Im Meer selbst gibt es allerdings Sauerstoff – durch Photosynthese – dadurch wurde das Eisen zur wasser-unlöslichen Form oxidiert und als Bändereisenerze abgelagert. Dabei wurde praktisch der gesamte Sauerstoff verbraucht, in der Atmosphäre konnte sich kein freier Sauerstoff ansammeln. Klima 21

8. Die erste Eiszeit Auf dem Weg in eine Sauerstoff-Welt Vor etwa 2.5 Ga, also am Übergang zum Proterozoikum, kam es zum Beginn von großen Veränderungen. Offenbar gab es nun nicht mehr genug „freies“ Eisen und Schwefel in den Ozeanen, um den gebildeten Sauerstoff zu binden. Ab jetzt sammelt sich freier Sauerstoff in der Atmosphäre. Damit kam es zur ersten massiven, durch Lebewesen verursachten Luftverschmutzung, da Sauerstoff für die meisten der damals vorkommenden Einzeller ein tödliches Gift war. Das Huronische Eiszeitalter Durch den freien Sauerstoff wurde aber auch die Lebensdauer von Methan drastisch reduziert. Vor etwa 2.5 Mrd. Jahren breiteten sich außerdem Stromatolithen auf der ganzen Erde großflächig aus. Dadurch wurde vermehrt CO2 gebunden. Durch beide Prozesse sank der Gehalt an atmosphärischen Treibhausgasen so stark, dass die Erde vor etwa 2.3 Ga großflächig vereiste. Gletscherspuren finden sich auf Gesteinen entsprechenden Alters auf allen Kontinenten. Paläomagnetische Untersuchungen zeigen, dass offenbar sogar Regionen in der Nähe des Äquators großräumig vereist waren, die Eiszeit war also wohl global. Nach einem charakteristischen Fundort in der Nähe des Huron-Sees in Kanada, wird dieses erste Eiszeitalter auf der Erde als Huronisches Eiszeitalter bezeichnet. Andere Variante: Altproterozoische Vereisung. Rotsedimente Sobald sich in der Atmosphäre nennenswerte Mengen Sauerstoff angesammelt hatten, bildeten sich kontinentale Rotsedimente, deren charakteristische rote Färbung durch Eisenoxid verursacht wird. Sie treten erstmals vor etwa 2 Ga verbreitet auf. Durch die Freisetzung von Sauerstoff lösten die Cyanobakterien – ungewollt – etwas völlig unvorhersehbares aus. Klima 22

9. Das Oklo–Phänomen • Freier Sauerstoff überführt das vierwertige Uran des Uraninits (UO2) sofort in den sechswertigen Zustand. Der dabei entstehende Uranyl-Komplex [UO2]2+ ist (im Gegensatz zum Uraninit) in Wasser gut löslich. Dadurch konnte Uran in großen Mengen von Flüssen transportiert werden. • Im heutigen Gabun erreichte das Flusswasser des Oklo das Mündungsdelta, in dem die Zersetzung von organischem Schlamm zu anoxischen (sauerstoff-freien) Bedingungen geführt hatte. Das Uran wurde daher wieder in die unlösliche Form überführt und in großen Mengen ausgefällt. • Vor etwa 1.7 Ga war der 235U – Gehalt von natürlichem Uran mit ~ 3.5 % noch wesentlich höher als heute: 0.7 % (Uran-235 zerfällt rascher, als das häufigere Isotop Uran-238). Natürliches Uran war also angereichert, etwas, das man heute nur mit großem technischen Aufwand erreichen kann. In Oklo lagerte sich so viel Uran ab, dass schließlich die kritische Masse, bei der die Kettenreaktion einsetzt, überschritten wurde. Die Uran-Schicht war beidseitig von Sandstein abgeschlossen, irgendwann drang in diese Schicht Wasser ein. • Damit war nun auch eine Moderator vorhanden, der für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion nötig ist indem er die freiwerdenden, zur Kettenreaktion notwendigen Neutronen abbremst, da diese sonst von 238U absorbiert werden. Das Wasser arbeitete aber außerdem noch als „Thermostat“: Zu hohe Temperatur – Wasser verdampft – Moderator geht verloren – Kettenreaktion stoppt – Temperatur sinkt – Wasser kann sich wieder ansammeln – die Kettenreaktion kommt wieder in Gang. • Der natürliche Kernreaktor von Oklo war offenbar für ~ 2 Mio. Jahre in Betrieb. Es wurden insgesamt 17 Reaktionszentren entdeckt, die bei Temperatur von 300 – 400°C arbeiteten. Die wichtigsten Beweise sind: • Entdeckung von Spaltprodukten („Seltene Erden“) • 235U–Gehalt ist heute wesentlich kleiner als 0.7 % (natürlicher Anteil). Klima 23

10. Schneeball Erde (1) Der Ausweg aus der von den Cyanobakterien ausgelösten „Sauerstoffkrise“ war gleichzeitig ein gewaltiger Fortschritt in der Evolution, er kam in der Form von Eukaryoten: Einzeller mit echtem Zellkern, die ihre Energie durch Atmung gewinnen können, da das Genmaterial im Zellkern vor dem Sauerstoff geschützt ist. Die Energieausbeute ist dabei etwa 14mal so groß wie bei der Gärung. Die ersten Eukaryoten, die Acritarchen tauchten vor ca. 1.4 Mrd. Jahren auf. Damals betrug der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre etwa 1% des heutigen Wertes, damit konnte sich auch eine erste (schwache) Ozonschicht ausbilden. Die Acritarchen „beherrschten“ die Erde bis vor etwa 750 Mio. Jahren, dann wurden sie Opfer des ersten großen Massensterbens der Erdgeschichte, in dem etwa 70% der Arten ausstarben. Ausgelöst durch die Neoproterozoische Vereisungen Vor etwa 900 Ma hatte sich der Superkontinent Rodinia gebildet, die Sonnenstrahlung war noch etwa 6 % schwächer als heute. Am Ende des Proterozoikums gab es die größten Eiszeitalter der Erdgeschichte: Sturtische Vereisung vor 750 bis 700 Millionen Jahren. Varanger Vereisung vor 620 bis 580 Millionen Jahren. Vereisungsspuren (geschrammter Untergrund, Tillite = verfestigtes Moränen-material) finden sich auf allen Kontinenten, auch in niederen paläomagnetischen Breiten. In ozeanischen Sedimenten finden sich verbreitet Drop stones (Gletscherschutt, der von schmelzenden Eisbergen abgelagert wurde) vermischt mit Bändereisenerzen, die sich nur in einem sauerstofffreien Ozean ablagern konnten und in den vergangenen ~1 Ga nie mehr aufgetreten waren. Modellstudien zeigen ein globale Mitteltemperatur von unter –20°C. Klima 24

11. Schneeball Erde (2) Unmittelbar auf den Gletscherschutt der „Schneeball-Episoden“ folgen allerdings Karbonatsedimente, die sich ausschließlich in warmen Flachmeeren bilden. Es finden sich außerdem mannshohe Fächer aus Aragonit-Kristallen, die bei schneller Karbonat-Ablagerung aus hoch gesättigtem Meerwasser entstehen. Die biologische Produktivität in den Ozeanen muss während der Vereisungen fast vollständig zum Erliegen gekommen sein. Der Gehalt an 13C ist extrem niedrig und entspricht etwa dem in vulkanischem CO2 (~1%). Bei der Photosynthese wird das häufigere Isotop 12C bevorzugt. Bei hoher Produktivität bleibt viel 13C zurück und die anorganischen Karbonatsedimente enthalten entsprechend viel davon. Der Übergang von extrem kalt zu extrem warm muss sehr schnell abgelaufen sein, es ist die stärkste Klimaänderung, die man bis jetzt entdeckt hat. Die Rückkehr zu eisfreien Bedingungen wurde durch den Karbonat-Silikat-Zyklus (in extremer Variante) ermöglicht: Während alle Kontinente und große Teile der Ozeane von Eis bedeckt waren, konnte praktisch kein CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden. Es wurde aber weiter durch Vulkanausbrüche produziert. Der Treibhausgasgehalt wurde nach einigen 10 Ma so groß, dass das Eis trotz der hohen Albedo schmelzen konnte. Jetzt standen wieder (massenweise) Kalzium-Ionen zur Verfügung, das „überschüssige“ CO2 der Atmosphäre bildete mit ihnen gewaltige Karbonatsedimente. Erste Vielzeller Kurz nach der Varanger Vereisung (vor etwa 580 Ma) traten die ersten größeren mehrzelligen Lebewesen auf – die Ediacara Fauna. Überliefert sind Ansammlungen von Abdrücken fossiler Organismen, die erstmals in den australischen EdiacaraHills gefunden wurden. Über diese, z.T. „Luftmatratzen-ähnlichen“ Lebewesen weiß man immer noch sehr wenig. Klima 25