Forscher entdecken im ältesten Grundwasser der Erde die Krafterzeuger des Lebens

Ein internationales Forscherteam hat 1,2 Milliarden Jahre altes Grundwasser tief in einer Gold- und Uran produzierenden Mine in Moab Khotsong, Südafrika, entdeckt und mehr Licht darauf geworfen, wie das Leben unter der Erdoberfläche erhalten bleibt und wie es gedeihen kann andere Planeten.

Die Ergebnisse wurden Anfang dieser Woche in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

„Zum ersten Mal haben wir einen Einblick, wie Energie, die tief im Untergrund der Erde gespeichert ist, im Laufe der Zeit freigesetzt und breiter durch ihre Kruste verteilt werden kann“, sagt Oliver Warr, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Department of Earth Sciences der University of Toronto und Erstautor der Studie. „Betrachten Sie es als eine Büchse der Pandora aus Helium und Wasserstoff produzierender Energie, eine, die wir lernen können, wie wir sie zum Wohle der tiefen Biosphäre auf globaler Ebene nutzen können.“

„Vor zehn Jahren entdeckten wir Milliarden Jahre altes Grundwasser unter dem Kanadischen Schild – das war anscheinend erst der Anfang“, sagt Barbara Sherwood Lollar, Professorin am Department of Earth Sciences an der University of Toronto und korrespondierende Autorin. „Nun, 2,9 km unter der Erdoberfläche in Moab Khotsong, haben wir festgestellt, dass die extremen Außenposten des weltweiten Wasserkreislaufs weiter verbreitet sind als bisher angenommen.“

Uran und andere radioaktive Elemente kommen natürlicherweise im umgebenden Wirtsgestein vor, das Mineral- und Erzvorkommen enthält. Diese Elemente enthalten neue Informationen über die Rolle des Grundwassers als Energiegenerator für chemolithotrophe (oder felsfressende) Gruppen von Mikroorganismen, die zuvor im tiefen Untergrund der Erde entdeckt wurden. Wenn Elemente wie Uran, Thorium und Kalium im Untergrund zerfallen, hat die resultierende Alpha-, Beta- und Gammastrahlung Welleneffekte und löst sogenannte radiogene Reaktionen in den umgebenden Gesteinen und Flüssigkeiten aus.

Bei Moab Khotsong fanden die Forscher große Mengen an radiogenem Helium, Neon, Argon und Xenon und eine beispiellose Entdeckung eines Isotops von Krypton – ein nie zuvor gesehener Tracer dieser mächtigen Reaktionsgeschichte. Die Strahlung bricht auch Wassermoleküle in einem als Radiolyse bezeichneten Prozess auseinander und erzeugt große Konzentrationen von Wasserstoff, einer wesentlichen Energiequelle für unterirdische mikrobielle Gemeinschaften tief in der Erde, die keinen Zugang zu Sonnenenergie für die Photosynthese haben.

Aufgrund ihrer extrem geringen Massen sind Helium und Neon einzigartig wertvoll, um Transportpotentiale zu identifizieren und zu quantifizieren. Während die extrem geringe Porosität des kristallinen Grundgesteins, in dem diese Gewässer gefunden werden, dazu führt, dass das Grundwasser selbst weitgehend isoliert ist und sich selten vermischt, was auf sein 1,2-Milliarden-Jahre-Alter zurückzuführen ist, kann dennoch eine Diffusion stattfinden.

„Feste Materialien wie Kunststoff, Edelstahl und sogar festes Gestein werden schließlich von diffundierendem Helium durchdrungen, ähnlich wie beim Entleeren eines mit Helium gefüllten Ballons“, sagt Warr. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass 75 bis 82 Prozent des Heliums und Neons, das ursprünglich durch die radiogenen Reaktionen produziert wurde, durch die Diffusion durch die darüber liegende Kruste transportiert werden konnten.“

Die Forscher betonen, dass die neuen Erkenntnisse der Studie darüber, wie viel Helium aus der Tiefe der Erde nach oben diffundiert, ein entscheidender Schritt nach vorne sind, da die globalen Heliumreserven zur Neige gehen und der Übergang zu nachhaltigeren Ressourcen an Fahrt gewinnt.

„Menschen sind nicht die einzigen Lebensformen, die auf die Energieressourcen des tiefen Untergrunds der Erde angewiesen sind“, sagt Warr. „Da die radiogenen Reaktionen sowohl Helium als auch Wasserstoff erzeugen, können wir nicht nur etwas über Heliumreservoirs und -transport lernen, sondern auch den Wasserstoffenergiefluss aus der Tiefe der Erde berechnen, der unterirdische Mikroben auf globaler Ebene erhalten kann.“

Warr merkt an, dass diese Berechnungen von entscheidender Bedeutung sind, um zu verstehen, wie das Leben unter der Oberfläche auf der Erde erhalten bleibt und welche Energie durch radiogene Energie auf anderen Planeten und Monden im Sonnensystem und darüber hinaus verfügbar sein könnte, und informiert über bevorstehende Missionen zum Mars, Titan, Enceladus und Europa.

Weitere Co-Autoren der Veröffentlichung sind CJ Ballentine von der University of Oxford sowie Forscher der Princeton University und des New Mexico Institute of Mining and Technology.