Nach der Entstehung des Sonnensystems brauchte es maximal drei Millionen Jahre, bis die chemische Zusammensetzung des Vorläufers der Erde abgeschlossen war. Dies zeigt eine neue Studie des Instituts für Geologie der Universität Bern. Lebensnotwendige Elemente wie Wasser oder Kohlenstoffverbindungen gab es auf dem jungen Planeten zu diesem Zeitpunkt jedoch kaum. Erst eine spätere planetare Kollision brachte vermutlich Wasser auf die Erde und ebnete so den Weg für Leben.
Die Erde ist bislang der einzige bekannte Planet, auf dem Leben existiert - mit flüssigem Wasser und einer stabilen Atmosphäre. Bei ihrer Entstehung waren die Bedingungen jedoch nicht lebensfreundlich. Zwar war die Gas-Staub-Wolke, aus der sich alle Planeten des Sonnensystems bildeten, reich an lebensnotwendigen flüchtigen Elementen wie Wasserstoff, Kohlenstoff oder Schwefel. Doch im inneren Sonnensystem - dem Teil, der der Sonne am nächsten liegt und in dem sich heute die vier Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars sowie der Asteroidengürtel befinden - konnten diese flüchtigen Elemente kaum bestehen: Aufgrund der hohen Temperatur der Sonne kondensierten sie nicht und verblieben zunächst weitestgehend in der Gasphase. Da diese gasförmigen Stoffe nicht in die festen Gesteinsmaterialien eingebaut wurden, aus denen die Planeten entstanden, enthielt auch der frühe Vorläufer der Erde, die sogenannte Proto-Erde, nur sehr wenig von diesen lebenswichtigen Stoffen. Nur Himmelskörper, die sich weiter von der Sonne entfernt in kühleren Regionen formten, konnten diese Bestandteile auch einbauen. Wann und wie die Erde zu einem lebensfreundlichen Planeten wurde, ist bis heute nicht vollständig verstanden.
In einer neuen Studie konnten Forschende des Instituts für Geologie der Universität Bern nun erstmals aufzeigen, dass die chemische Zusammensetzung der frühen Erde spätestens drei Millionen Jahre nach der Bildung des Sonnensystems abgeschlossen war - und zwar auf eine Weise, die die Entstehung von Leben zunächst unmöglich machte. Ihre Ergebnisse, kürzlich veröffentlicht in der Zeitschrift Science Advances, legen nahe, dass Leben auf der Erde erst durch ein späteres Ereignis ermöglicht wurde. Dr. Pascal Kruttasch ist Erstautor der Studie, die im Rahmen seiner Dissertation am Institut für Geologie entstand und die vom Schweizerischen Nationalfonds finanziell unterstützt wurde. Kruttasch ist nun SNF Postdoc.Mobility Fellow am Imperial College London.
Einsatz einer präzisen Uhr zur Messung der Erdentstehungsgeschichte
Um den Ablauf der Erdentstehung zu rekonstruieren, nutzte das Forschungsteam eine Kombination aus Isotopenund Elementdaten von Meteoriten sowie von irdischem Gestein. Mit Modellrechnungen konnten die Forschenden zeitlich eingrenzen, wie sich die chemische Zusammensetzung der Erde im Vergleich zu anderen planetaren Bausteinen entwickelte.
Kruttasch erklärt: ’Für die präzise Altersbestimmung kam ein hochpräzises Zeitmesssystem zum Einsatz, das auf dem radioaktiven Zerfall von Mangan-53 basiert. Dieses Isotop war im frühen Sonnensystem vorhanden und zerfiel mit einer Halbwertszeit von etwa 3,8 Millionen Jahren zu Chrom-53.’ Dieses Verfahren erlaubte Altersbestimmungen mit einer Genauigkeit von unter einer Million Jahre für Materialien, die mehrere Milliarden Jahre alt sind. ’Diese Messungen waren nur möglich, weil die Universität Bern über international anerkannte Expertise und Infrastruktur zur Analyse extraterrestrischer Materialien verfügt und führend im Bereich der Isotopengeochemie ist’, so Co-Autor Klaus Mezger, emeritierter Professor für Geochemie am Institut für Geologie der Universität Bern.
Leben auf der Erde dank einem kosmischen Zufall?
Mithilfe der Modellrechnungen konnte das Forschungsteam zeigen, dass die chemische Signatur der Proto-Erde, also das einzigartige Muster der chemischen Stoffe, aus denen sie besteht, schon in weniger als drei Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems abgeschlossen war. ’Unser Sonnensystem bildete sich vor rund 4’568 Millionen Jahren. Wenn man bedenkt, dass es nur bis zu 3 Millionen Jahre benötigte, um die chemischen Eigenschaften der Erde festzulegen, ist dies überraschend schnell’, so Erstautor Kruttasch.
Die Ergebnisse der Studie unterstützen damit die Annahme, dass ein späterer Zusammenstoss mit einem anderen Planeten - Theia - die entscheidende Wende brachte und die Erde zu einem lebensfreundlichen Planeten machte. Theia entstand vermutlich weiter aussen im Sonnensystem, wo sich flüchtige Stoffe wie Wasser anreicherten. ’Dank unseren Resultaten wissen wir, dass die Proto-Erde anfangs ein trockener Gesteinsplanet war. Es ist also anzunehmen, dass erst die Kollision mit Theia flüchtige Elemente auf die Erde brachte und dort schliesslich Leben ermöglichte’, sagt Kruttasch.
Lebensfreundlichkeit im Universum ist nicht selbstverständlich
Die neue Studie trägt massgeblich zum Verständnis über die Prozesse in der Frühphase des Sonnensystems bei und liefert Hinweise darauf, wann und wie Planeten, auf denen Leben möglich ist, entstehen können. ’Die Erde verdankt ihre heutige Lebensfreundlichkeit nicht einem kontinuierlichen Aufbau, sondern wohl einem Zufallsereignis - dem späten Einschlag eines fremden, wasserreichen Körpers. Das macht deutlich: Lebensfreundlichkeit ist im Universum alles andere als selbstverständlich’, sagt Mezger.
In einem nächsten Schritt müsse auch das Kollisionsereignis zwischen der Proto-Erde und Theia genauer untersucht werden. ’Bisher ist dieses Kollisionsereignis unzureichend verstanden. Es werden Modelle benötigt, die neben den physikalischen Eigenschaften von Erde und Mond auch deren chemische Zusammensetzung und Isotopensignaturen vollständig erklären können’, so Kruttasch abschliessend.
