Forscher von Yale und Caltech haben eine kühne neue Theorie entwickelt, um zu erklären, wie sich die Erde von einem feurigen, kohlenstoffumhüllten Gesteinsball in einen lebensfähigen Planeten verwandelt hat.
Die Theorie deckt die frühesten Jahre der Erde ab und beinhaltet „seltsame“ Gesteine, die genau richtig mit Meerwasser interagierten, um biologische Materie ins Leben zu rufen.
„Diese Periode ist die rätselhafteste Zeit in der Erdgeschichte“, sagte Jun Korenaga, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften in Yale und Mitautor einer neuen Studie in der Zeitschrift Natur. „Wir präsentieren die mit Abstand vollständigste Theorie für die ersten 500 Millionen Jahre der Erde.“
Der Erstautor der Studie ist Yoshinori Miyazaki, ein ehemaliger Yale-Doktorand, der jetzt Stanback Postdoctoral Fellow am Caltech ist. Die Studie basiert auf dem letzten Kapitel von Miyazakis Dissertation in Yale.
Die meisten Wissenschaftler glauben, dass die Erde mit einer Atmosphäre begann, die der des Planeten Venus sehr ähnlich war. Sein Himmel war mit Kohlendioxid gefüllt – mehr als das 100.000-fache des derzeitigen Gehalts an atmosphärischem Kohlenstoff – und die Oberflächentemperatur der Erde hätte 400 Grad Fahrenheit überschritten.
Unter solchen Bedingungen hätte sich biologisches Leben nicht bilden können, geschweige denn überleben können, sind sich die Wissenschaftler einig.
„Irgendwie musste eine riesige Menge atmosphärischen Kohlenstoffs entfernt werden“, sagte Miyazaki. „Da es keine Gesteinsaufzeichnungen von der frühen Erde gibt, machten wir uns daran, ein theoretisches Modell für die sehr frühe Erde von Grund auf neu zu erstellen.“
Miyazaki und Korenaga kombinierten Aspekte der Thermodynamik, Strömungsmechanik und Atmosphärenphysik, um ihr Modell zu bauen. Schließlich einigten sie sich auf einen kühnen Vorschlag: Die frühe Erde war mit Gestein bedeckt, das derzeit nicht auf der Erde existiert.
„Diese Felsen wären mit einem Mineral namens Pyroxen angereichert worden und hätten wahrscheinlich eine dunkelgrüne Farbe“, sagte Miyazaki. „Noch wichtiger war, dass sie extrem mit Magnesium angereichert waren, mit einer Konzentration, die in heutigen Gesteinen selten beobachtet wird.“
Miyazaki sagte, dass magnesiumreiche Mineralien mit Kohlendioxid reagieren, um Karbonate zu produzieren, wodurch sie eine Schlüsselrolle bei der Bindung von atmosphärischem Kohlenstoff spielen.
Die Forscher schlagen vor, dass, als die geschmolzene Erde begann, sich zu verfestigen, ihr hydratisierter, nasser Mantel – die 3.000 Kilometer dicke Gesteinsschicht des Planeten – stark konvezierte. Die Kombination aus einem feuchten Mantel und Pyroxeniten mit hohem Magnesiumgehalt beschleunigte den Prozess des Herausziehens von CO2 aus der Atmosphäre dramatisch.
Tatsächlich sagten die Forscher, dass die Rate der atmosphärischen Kohlenstoffbindung mehr als zehnmal schneller gewesen wäre, als dies mit einem Mantel aus modernen Gesteinen möglich wäre, was nur 160 Millionen Jahre erforderte.
„Als zusätzlichen Bonus würden diese ‚seltsamen‘ Gesteine auf der frühen Erde leicht mit Meerwasser reagieren, um einen großen Wasserstofffluss zu erzeugen, von dem allgemein angenommen wird, dass er für die Bildung von Biomolekülen wesentlich ist“, sagte Korenaga.
Der Effekt wäre ähnlich wie bei einer seltenen Art moderner Tiefsee-Thermalquellen, die als Hydrothermalfeld Lost City bezeichnet werden und sich im Atlantischen Ozean befinden. Die abiotische Produktion von Wasserstoff und Methan im Hydrothermalfeld Lost City hat es zu einem erstklassigen Standort für die Erforschung des Ursprungs des Lebens auf der Erde gemacht.
„Unsere Theorie hat das Potenzial, nicht nur zu untersuchen, wie die Erde bewohnbar wurde, sondern auch, warum Leben auf ihr entstand“, fügte Korenaga hinzu.
Yoshinori Miyazaki et al, Ein nasser heterogener Mantel schafft eine bewohnbare Welt im Hadaikum, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04371-9