Der lebende Planet

Ich wollte ein neues Thema im Blog diskutieren, aber dazu muß ich erst einige Grundlagen legen. Und damit hier keine langen und langweiligen Vorträge stehen, gehe ich es indirekt an auf die Gefahr hin, daß ich neben Arbeit und Familie gar nicht mehr dazu komme, zum eigentlichen Punkt zu kommen. Sei es drum... Das Thema ist der lebendige Planet. Schaut man sich nämlich die Atmosphären verschiedener Planeten an, dann fällt bei der Erde auf, daß ihre Atmosphäre sich weit weg von einem chemischen Gleichgewicht befindet. Es ist ordentlich Sauerstoff vorhanden, der verschiedene andere Stoffe oxidieren könnte und auch nicht wenig Methan, das im Gleichgewicht eigentlich vollständig zu Kohlendioxid und Wasser abreagiert sein müßte. Anhand solcher Anzeiger (ein weiteres ist das vorhandene Lachgas) verrät die Erde, daß es hier Leben geht. Geologische Vorgänge könnten eine solche Atmosphäre nicht erzeugen, sondern würden uns entweder dem Mars oder der Venus ähnlich werden lassen. Schauen wir doch mal ein paar Milliarden Jahre in die Vergangenheit...



Vor 4,5 Milliarden Jahren ist die Erde entstanden - man rechnet gemeinhin ab dem Zeitraum, an dem sich zum ersten Mal eine feste Kruste gebildet hatte. Von dieser ersten Erdkruste ist nichts mehr übrig. Das schwerere Material bildete den Meeresboden, darauf schwammen leichtere Gesteine, die die Kontinente bilden. Die Erdkruste besteht aus Platten, die sich untereinanderschieben, wobei die letztlich eingeschmolzen werden und zwischen ihnen können sich auch Zonen befinden, in denen Magma aufsteigt und neuen Meeresboden oder gar neues Land bildet. Was wir heute an Gesteinen sehen, ist meistens entweder in den letzten Milliarden Jahren als vulkanisches Gestein (z.B. Basalt) neu gebildet worden oder wurde irgendwann einmal aus Ablagerungen gebildet, die im Laufe von Millionen Jahren zu Gestein gepreßt wurden (Tone, Schiefer, Kreide, Kalk, Sandstein).

Als die Erde entstand, hatte sie eine Uratmosphäre. Da sie sich aus dem Plasma, Gas- und Staubwirbel um die Sonne zusammengeklumpt hatte, könnte die Uratmosphäre reich an Wasserstoff und Helium gewesen sein. Der Wasserstoff hat alles reduziert, was sonst die Atmosphäre ausmachte. Es könnten Ammoniak und Methan weitere wichtige Bestandteile gewesen sein. Aber tatsächlich weiß man es nicht und Theorien darüber ändern sich immer wieder. Doch schon in den ersten Millionen Jahre sind auch gewaltige Menge an Wasserstoff und Helium wieder im All verloren gegangen. Gleichzeitig sind gewaltige Mengen an Kohlendioxid und Wasser aus dem glühend heißen Gestein der Erde ausgegast worden. Auch Edelgase, insbesondere Helium und Argon, könnten durch radioaktiven Zerfall reichlich aus dem Gestein ausgetreten sein. Doch davon wird viel wieder in den Weltraum verloren gegangen sein. Die Atmosphäre, die aus der Erdkruste ausgedünstet wurde, war also schon die zweite Atmosphäre, und bestand vor allem aus Wasser und Kohlendioxid. Das Wasser bildete schließlich die ersten Meere und das Kohlendioxid sorgte für den Treibhauseffekt, der verhinderte, daß die Erde gleich zu Beginn zum Eisklumpen ausfror. Denn die frühe Sonne war erheblich schwächer als sie es heute ist. Der Beginn der Erde und der Beginn der Venus dürften sich sehr geähnelt haben. Der Gasdruck an Kohlendioxid und Wasser war ein Vielfaches von dem heutigen.

Doch nicht nur regnete der größte Teil des Wassers aus, es gab auch viele Gesteine, die Carbonate mit dem Kohlendioxid der Luft bilden konnten und so auch dieses aus der Atmosphäre entfernten. Allerdings wurden viele dieser so gebildeten Carbonate aufgebrochen, wenn diese erst einmal durch die Plattentektonik in den Erdmantel abstiegen. Durch Vulkane wurde das Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre abgegeben. Wohin ein Gleichgewicht dieser Vorgänge führt, sieht man an der Venus, die eine Kohlendioxidatmosphäre hat, die ein Vielfaches dichter als die Erdatmosphäre ist. Gleichzeitig gab es in dieser zweiten Atmosphäre keinen Sauerstoff. Gaste welcher aus oder entstand er irgendwie, müßte er direkt mit dem noch reichlich vorhandenen Wasserstoff zu Wasser reagieren. Das hatte Folgen. Ohne Sauerstoff bildet sich zum Beispiel keine Ozonschicht, die harte UV-Strahlung auffangen könnte. Die Ur-Erde war eine lebensfeindliche Strahlenhölle. Doch was die Erde anders machte als Venus oder Mars war die Tatsache, daß sich auf ihr Leben bildete. Das Leben entstand vielleicht in der Erdkruste, vielleicht in Soleblasen im Eis oder in geschützten Uferzonen des Ur-Meeres. Wo genau, ist noch unklar. Doch aus den ersten Einzellern, die zunächst Wasserstoff verwerteten, entstanden irgendwann Bakterien, die aus Sonnenlicht Energie ziehen konnten und dazu Körpermasse aus Kohlenstoff aufbauten und Sauerstoff aus Kohlendioxid und Wasser freisetzten. Im Laufe weniger Millionen Jahre gaben diese ersten Bakterien oder die frühen Algen, die diese Photosynthesebakterien als Chloroplasten nutzten, Unmengen an Sauerstoff ab. Der Sauerstoff reagierte mit dem restlichen Wasserstoff, dann mit den anderen reduzierten Substanzen der Erdkruste oder gelöst im Meer. In erster Linie war das Eisen. Die Ozeane hielten gewaltige Mengen an gelöstem Eisen der Oxidationsstufe 2, das recht gut löslich war und das Urmeer vermutlich intensiv grün färbte. Doch der Sauerstoff oxidierte das Eisen in die dritte Oxidationsstufe, welches in Wasser schwer lösliche Hydroxide und Oxide bildete und als rostbraunes Eisenoxid oder Eisenhydroxid ausfiel. Am Meeresgrund bildeten sich hunderte Meter dicke Schichten von Eisenoxid und die Erdoberfläche färbte sich ebenfalls über weite Gebiete rostbraun.

Es ist kaum zu glauben, aber Einzeller gaben Sauerstoff in solchen Mengen ab, daß sie die Zusammensetzung der Erdatmosphäre völlig änderten. Es war die erste Umweltkatastrophe der Erde. Die ganzen anaeroben Einzeller, die vom Abbau von Wasserstoff, Methan oder Sulfiden lebten, wurden vergiftet und immer tiefer ins Meer oder in den Boden abgedrängt. Dafür konnten die ersten aeroben Bakterien entstehen, die den damals noch in geringen Konzentrationen vorhandenen Sauerstoff veratmeten. Als das Sauerstoff in den Bereich von einem Prozent Anteil an der Atmosphäre angestiegen war, konnte sich die erste dünne Ozonschicht ausbilden. Das Leben konnte nun auch direkt an der Oberfläche siedeln. Kohlendioxid wurde in solchen Massen in den Lebewesen verbaut und dann in den Sedimenten abgelagert, daß der Gasdruck der Erde auf ein Bruchteil zurückging. Übrig blieb der Stickstoff, der jetzt erst zum wichtigsten Gas in der Atmosphäre aufsteigen konnte. Und dies führte zur zweiten Umweltkatastrophe der frühen Erde. Da der Treibhauseffekt des Kohlendioxids schwächer wurde und die frühe Sonne viel schwächer war als heute, fror die frühe Erde zum ersten Mal weitgehend zu. Der Eispanzer zerstörte viele Algen, verhinderte die Ablagerung von Kohlendioxid als Carbonat in Sedimenten, während Vulkane ungehindert Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeben konnten. Irgendwann war der Kohlendioxidgehalt und damit der Treibhauseffekt wieder so weit gestiegen, daß die Erde wieder auftaute. Möglicherweise gab es mehrere solcher Ereignisse in den ersten Milliarden Jahren der Erde. Doch je älter die Sonne wurde, je mehr ihre Leuchtkraft zunahm, desto weniger Kohlendioxid war erforderlich, um die Erde in einem aufgetauten Zustand zu halten. Und so können wir für die dritte Atmosphäre der Erde aus vor allem Stickstoff und Sauerstoff mit etwas Kohlendioxid feststellen, daß sie durch das Leben auf der Erde wie ein Thermostat dafür sorgt, daß ein bestimmter Temperaturbereich eingehalten wird. Die Atmosphäre der Erde ist Teil des Lbens, und das macht die Erde einzigartig im Vergleich zu allen anderen Planeten ohne Leben.