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Die frühesten Anzeichen für Leben auf der jungen Erde, die etwa 3,5 Milliarden Jahre alt ist, stammen in der Regel aus dem Meer in Form von versteinerten Mikroben in altem Gestein. Jetzt haben Wissenschaftler, die im Barberton Greenstone Belt in Südafrika arbeiten – wo einige der ältesten Gesteine der Erde erhalten sind – Beweise für mikrobielles Leben auf der Erde gefunden, die sie auf ein Alter von etwa 3,22 Milliarden Jahren schätzen. Die Ergebnisse, die heute (23. Juli) in Nature Geosciences veröffentlicht wurden, sind die ältesten Anzeichen für Landleben auf unserem Planeten, die bisher entdeckt wurden
„Diese Arbeit stellt die älteste und am wenigsten zweideutige Arbeit dar, die wir bisher haben, dass Leben auf dem Land bereits vor 3,2 Milliarden Jahren existierte“, schreibt Kurt Konhauser, ein Professor für Erd- und Atmosphärenwissenschaften an der Universität von Alberta in Kanada, der ebenfalls nicht an der Arbeit beteiligt war, in einer E-Mail an The Scientist.
Forscher haben weitere fossile Beweise für frühestes mikrobielles Leben in flachen, marinen Ablagerungen gefunden, was die vorherrschende Theorie stützt, dass vor 3 Milliarden Jahren der größte Teil der Erde aus Ozeanen bestand, die mit vulkanischen Inseln durchsetzt waren. Beweise für Leben auf dem Festland waren bisher schwieriger zu finden. Das liegt zum Teil daran, dass alte Meeresgesteine offenbar besser erhalten sind als terrestrische Sedimente. Ein weiterer Grund ist laut Martin Homann, Postdoktorand am Europäischen Institut für Meeresforschung (IUEM) in Brest, Frankreich, dass sehr alte terrestrische Sedimente nur schwer von marinen Sedimenten zu unterscheiden sind, weil so genannte Indexfossilien – die zur Bestimmung der Umgebung und zur Datierung von Gesteinen beitragen – aus dieser frühen Zeit der Erdgeschichte nicht existieren.
Nach Angaben der Studienautoren waren die bisher ältesten sichtbaren versteinerten Überreste von Mikroben an Land etwa 2,7 Milliarden Jahre alt und wurden an einer anderen Stelle des Barberton Greenstone Belt in Südafrika und auch in Australien gefunden. In einer im vergangenen Jahr veröffentlichten Studie analysierten die Forscher Gesteine, die sie als heiße Quellen in der Pilbara-Region in Westaustralien interpretierten. Obwohl diese Arbeit laut Konhauser darauf hindeutet, dass sich einige 3,5 Milliarden Jahre alte Vulkane auf dem Festland befunden haben könnten, zeigt die aktuelle Studie definitiv, dass es vor 3,2 Milliarden Jahren eine ausgedehnte Freilegung der kontinentalen Kruste auf der Erdoberfläche gab.
Für die aktuelle Studie konzentrierten sich Homann und seine Kollegen auf uralte Sedimentgesteine, die so genannte Moodies Group, im Barberton Greenstone Belt, deren Alter von Geologen früher auf etwa 3.22 Milliarden Jahre alt sind. Dort entdeckte das Team so genannte versteinerte mikrobielle Matten, die hauptsächlich aus den Abdrücken von Bakterien und Archaeen bestehen und zu den frühesten erhaltenen Lebensformen gehören. Während sie auf der frühen Erde lebten, wurden diese mikrobiellen Lebensgemeinschaften mit Sedimentgestein überlagert und zusammengepackt, das aus runden Steinen unterschiedlicher Größe besteht und von Geologen als Konglomerat bezeichnet wird.
Das Team analysierte und beschrieb zunächst die Lage der Gesteine im Detail und verglich diese mit heutigen Gesteinsformationen, um zu verstehen, wie sie sich bewegten, bildeten und erhalten wurden. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die mattenbildenden Mikroben im Wirtsgestein beheimatet sind und Teil eines ehemaligen Flussdeltas waren.
„Das sind gute Daten, die zeigen, dass diese versteinerten mikrobiellen Matten tatsächlich aus einer terrestrischen Umgebung stammen“, sagt Dominic Papineau, der sich am London Centre for Nanotechnology des University College London mit dem Ursprung und der Evolution des Lebens beschäftigt und nicht an der Studie beteiligt war.
Die Forscher analysierten dann sowohl die organischen Kohlenstoff- als auch die Stickstoffisotope in diesen fossilen terrestrischen mikrobiellen Matten und verglichen die Profile mit Isotopen, die aus nahe gelegenen fossilen mikrobiellen Matten aus dem Meer gewonnen wurden. Sowohl die Kohlenstoff- als auch die Stickstoff-Isotopenwerte der terrestrischen und der marinen Proben unterschieden sich voneinander, was darauf hindeutet, dass es Unterschiede im Stoffwechsel der Mikroben im Meer im Vergleich zu denen an Land gibt.
„Bereits vor 3,2 Milliarden Jahren sehen wir Anzeichen für Unterschiede in mattenbildenden mikrobiellen Gemeinschaften, was darauf hindeutet, dass einige wahrscheinlich besser an das Leben im Ozean als an Land angepasst waren“, sagt Homann.
Eine wichtige Frage für die Wissenschaftler ist, ob es auf der frühen Erde bereits örtlich begrenzte Taschen mit freiem Sauerstoff in einer Atmosphäre gegeben haben könnte, in der dieser normalerweise fehlte. Die meisten modernen mikrobiellen Matten bestehen aus Cyanobakterien, die Sauerstoff als Nebenprodukt ihres Stoffwechsels (sauerstoffhaltige Photosynthese) erzeugen, und man nimmt an, dass sie für die Anhäufung von Sauerstoff in der Atmosphäre der Erde verantwortlich waren. „Die Daten hier können nicht unterscheiden, ob diese Mikroorganismen durch ihre Photosynthese Sauerstoff produzierten oder anoxygene Photosynthese betrieben“, sagt Papineau.
Die Stickstoff-Isotopenwerte, die das Verhältnis zwischen dem am häufigsten vorkommenden Stickstoff-14 und dem selteneren und schwereren Stickstoff-15 widerspiegeln, waren bei den mikrobiellen Landmatten positiver als bei den Meeresproben. Dies legt für Homann und seine Kollegen nahe, dass das Land vor 3,2 Milliarden Jahren atmosphärisches Nitrat enthielt. Eine andere Möglichkeit, wie diese positiven Stickstoffwerte zustande gekommen sein könnten, wäre, dass es vor 3,22 Milliarden Jahren atmosphärischen Sauerstoff gab, was nach Ansicht der Studienautoren weniger wahrscheinlich ist, da dies bedeuten würde, dass es bereits sauerstoffproduzierende Cyanobakterien gab, wofür es derzeit keine ausreichenden Beweise gibt.
Für Konhauser wäre es interessant, die Quelle des Nitrats in den Proben genauer zu untersuchen und herauszufinden, ob es tatsächlich aus der Atmosphäre oder über die Erzeugung von Sauerstoff durch die alten photosynthetischen Bakterien gekommen sein könnte. „Die Strukturen und die Isotopenzusammensetzung der mikrobiellen Matten deuten auf das Vorhandensein von photosynthetischen Mikroben hin, die bereits an Land existierten“, schreibt Konhauser. Wenn das Nitrat tatsächlich von den Mikroben in den Matten gebildet wurde, fügt er hinzu, dann gab es vielleicht schon in dieser frühen Phase der Erdgeschichte sauerstoffproduzierende Cyanobakterien.
M. Homann et al. „Microbial life and biogeochemical cycling on land 3,220 million years ago“, Nature Geosciences, doi.org/10.1038/s41561-018-0190-9, 2018.
Korrektur (23. Juli): Die Schätzung des Lebens auf dem Land ist 500 Millionen Jahre früher als bisher dargestellt, nicht 500.000 Millionen Jahre. The Scientist bedauert den Fehler.
Korrektur (25. Juli): Das Wort im zweiten Absatz ist „zweideutig“, nicht „eindeutig“. The Scientist bedauert den Fehler.