Eine Studie des Caltech deutet darauf hin, dass eine Kohlenstoffsignatur aus vor zwei Milliarden Jahren möglicherweise falsch interpretiert worden sein könnte.

Seit Jahrzehnten gilt eine chemische Signatur aus vor 2 Milliarden Jahren als eines der deutlichsten Zeichen für einen großen Wendepunkt in der Erdgeschichte. Vor etwa 2,5 bis 2 Milliarden Jahren begann sich Sauerstoff zum ersten Mal in der Atmosphäre anzureichern, und damit verbunden war ein großer Wandel des Kohlenstoffkreislaufs des Planeten. Wissenschaftler haben dieses Signal lange als Beweis für eine plötzliche, globale Veränderung gedeutet, doch eine neue Studie des Caltech deutet darauf hin, dass die Geschichte möglicherweise weitaus kleineren Ausmaßes – und weitaus eigentümmlicher – ist.

Das betreffende Signal stammt aus Bohrkernen aus alten marinen Sedimenten in Karelia, Russland, und dem Francevillian-Becken in Gabun. Es ist als Shunga-Francevillian-Ereignis bekannt, einem ungewöhnlichen Muster von Kohlenstoffisotopen, das als Hinweis auf eine größere Störung des Kohlenstoffkreislaufs der Erde vor etwa 2 Milliarden Jahren interpretiert wurde. Nun hat ein Team unter der Leitung der Caltech-Forscherin Nivedita Thiagarajan (PhD ’12) herausgefunden, dass das Signal möglicherweise nichts mit einer globalen Katastrophe zu tun hat. Stattdessen könnte es von einem kleinen Magmafleck, vergrabenem Öl und methanfressenden Mikroben herrühren.

Thiagarajan, die unter John Eiler arbeitet, dem Robert P. Sharp Professor of Geology and Geochemistry und Ted and Ginger Jenkins Leadership Chair der Division of Geological and Planetary Sciences, sagt, dass das Signal jetzt durch lokale Phänomene erklärt werden kann, die auf einige hundert Quadratkilometer des Sedimentbeckens beschränkt sind. Die Entdeckung widerlegt nicht die Vorstellung, dass die Erde zu dieser Zeit eine tiefgreifende Transformation durchlief, sondern nimmt der alten Interpretation jedoch den globalen Maßstab. Ein einzelner Hotspot könnte den Trick getan haben, anstatt dass der ganze Planet auf globaler Ebene verrückt spielt.

Das Signal, das alles veränderte

Wissenschaftler lesen das Kohlenstoffisotopen-Signal, indem sie die Mengen an schweren und leichten Formen von Kohlenstoff vergleichen, die in Gesteinen gespeichert sind. Bohrkernen dienen ihnen als Aufzeichnung, die sie ähnlich wie Jahresringe eines Baumes untersuchen. Diese Signatur hat sich sowohl in der Zaonega-Formation in Karelia als auch in Gesteinen aus Gabun gefunden, was auf ein einzig weltweites Vorkommen hindeutet. Viele Forscher zitieren es als Beweis dafür, dass die Erde vor etwa 2 Milliarden Jahren eine größere Störung ihres Kohlenstoffkreislaufs durchlief.

Aber die Bedeutung des Signals beruht immer auf einer Reihe von Annahmen. Eine Annahme ist, dass das Signal einen konsistenten Prozess widerspiegelt, der über den gesamten Planeten hinweg abläuft. Eine weitere Annahme ist, dass die Quelle des Signals biologischen Ursprungs war – dass es die Vergrabung enormer Mengen mikrobiellen Materials unter dem Meeresboden aufzeichnet. Die neue Studie stellt beide Ideen infrage.

Gesteine, die 2 Milliarden Jahre lang eingeschlossen waren

Das Team untersuchte Bohrungskerne, die bei der Geologischen Übersicht Norwegens (NGU) in Trondheim aufbewahrt werden, um das Signal zu überprüfen. Ihre Aufmerksamkeit konzentrierte sich auf Gase, die in winzigen Fluidtaschen innerhalb von Proben aus der Zaonega Formation eingeschlossen waren, einer Formation, die reich an Pyrob bitumen ist. Pyrob bitumen entsteht, wenn vergrabenes Rohöl oder Kerogen – eine Substanz, die zur Bildung von Erdgas führen kann – extremer Hitze tief unter der Erde ausgesetzt ist.

Aivo Lepland, ein Forscher am NGU, kam für ein Sabbatical an das Caltech und brachte mit sich eine ungeklärte Menge an Isotopenmessungen von Gasen, die in Zaonega-Gesteinen eingeschlossen waren. Ungefähr zur gleichen Zeit hatten Thiagarajan und Eiler ihre Arbeit über natürliche Gase abgeschlossen, die ihre Isotopenverhältnisse gemessen, was ihnen einen größeren Rahmen dafür lieferte, wie solche Gase entstehen.

Die Zusammenführung beider Wissens- und Datensätze führte zu einem eindeutigen Ergebnis. Statt durch ein weitreichendes Vorkommen verursacht zu werden, erwies sich das Signal als fähig, durch Bedingungen erklärt zu werden, die spezifisch für seinen eigenen Standort sind.

Magma, Methan und Mikroben

Die Forscher vermuten, dass eine Schicht aus Magma ihren Weg durch Schichten marinen Sediments bahnte, die unter einem prähistorischen Ozean unter der Zaonega Formation lagen. Als das Magma durch diese Schichten drängte, erwärmte es die umliegenden Sedimente, die voll von organischem Material waren. Diese Hitze erzeugte Kohlenwasserstoffe wie Methan und Propan, die dann durch das Sediment aufstiegen.

Mikroben, die in der Nähe des Meeresbodens lebten, nahmen die Gase auf. Sie nutzten das Methan, um Biomasse herzustellen, die durch eine leichte Kohlenstoffisotopen-Signatur gekennzeichnet war. Die Forscher glauben, dass diese Signatur mit der übereinstimmen könnte, die in den Gesteinen erhalten geblieben ist.

Dieses Szenario wird durch Temperaturdaten gestützt. Eine deutliche Temperaturdifferenz wurde festgestellt, wobei die Messwerte in der Nähe der Magmaintrusion etwa 350 Grad Celsius erreichten und auf etwa 72 Grad Celsius bei einem ehemaligen Asphaltleck am Meeresboden s etwa 300 Meter darüber sanken.

„Diese Kette geologischer und biologischer Prozesse kann das ungewöhnliche Kohlenstoff-Isotopen-Signal erklären, das in der Zaonega-Formation aufgezeichnet wurde“, sagt Thiagarajan. „Es war interessant zu sehen, dass einige der gleichen Signaturen, die wir in modernen Öl- und Gasbecken beobachten, auch dort vorhanden sind und in 2-Milliarden-jährigen Proben erhalten geblieben sind.“

Eine lokale Geschichte, nicht eine globale

Wenn das Signal auf einen einzelnen Ort beschränkt ist und nicht über den gesamten Planeten verteilt ist, verliert der Fall für eine größere Veränderung des globalen Kohlenstoffkreislaufs an Bedeutung. Mikrobenmaterial wurde unter dem Meeresboden vergraben, wie erwartet, aber die chemische Signatur, die mit diesem Prozess verbunden ist, muss nicht unbedingt eine umfassende Störung des globalen Kohlenstoffbudgets darstellen. Sie könnte lediglich einen bestimmten Ort markieren, an dem Magma, Öl und Mikroben zusammenkamen, um ein ungewöhnliches Ergebnis zu erzielen.

Die Ermittler selbst räumen ein, dass sie die anfängliche Erklärung nicht vollständig ablehnen können. Diese Vorsicht ist wichtig. Wissenschaftlicher Fortschritt entsteht durch das Überprüfen von Ideen, und die neue Studie macht dies genau – sie präsentiert eine alternative Darstellung des globalen Ereignisses. Ihre Gültigkeit wird von zusätzlichen Forschungen abhängen.

Die Forschung zeigt, dass die Bedeutung des Signals nicht in Stein gemeißelt ist. Was einst als Beweis für eine massive planetarische Transformation galt, kann nun als Aufzeichnung eines begrenzteren, spezifischeren Ereignisses gelesen werden. Dies ist eine bekannte Idee in der Geologie: Die Vergangenheit kommt häufig in Fragmenten ans Licht, und jedes Fragment trägt seine eigene Darstellung.

Die Suche geht weiter

Leplands Ankunft am Caltech für sein Forschungsjahr brachte zwei Forschungsbereiche zusammen, die zuvor nicht miteinander verknüpft waren. Thiagarajans Arbeit über natürliche Gase lieferte die technische Grundlage, während Leplands Sammlung von Isotopenmessungen aus Zaonega-Gesteinen das Rohmaterial lieferte. Die Zusammenarbeit funktionierte, weil beide Seiten die gleiche Sprache sprachen – die Sprache gefangener Gase und ihrer Signaturen.

Das Projekt veranschaulicht, wie wissenschaftlicher Fortschritt oft aus der Zusammenarbeit zwischen Disziplinen resultiert. Ein Forscher liefert einen Datensatz, ein anderer eine Methode, und ihre gemeinsame Anstrengung liefert Ergebnisse, die keiner von ihnen unabhängig hätte erzielen können. Dieses Prinzip bleibt relevant, während Forscher weiterhin die frühe Geschichte der Erde untersuchen.

Schlüsseldaten

• Das Shunga-Francevillian-Ereignis umfasst Gesteine aus der Zaonega-Formation in Karelia, Russland, und dem Francevillian-Becken in Gabun.
• Das Signal wurde als Beweis für eine größere globale Störung des Kohlenstoffkreislaufs vor etwa 2 Milliarden Jahren interpretiert.
• Die neue Studie kommt zu dem Ergebnis, dass das Signal durch lokale Phänomene erklärt werden kann – eine Magmaintrusion, vergrabenes Öl und methanverzehrende Mikroben.
• Temperaturen erreichten neben der Magmaintrusion schätzungsweise 350 Grad Celsius und fielen auf etwa 72 Grad Celsius bei einem Meeresboden-Asphalt-Austritt etwa 300 Meter höher.

Das Signal besteht in den Steinen fort, und seine Existenz kann nicht geleugnet werden. Die Messung davon mag sich verschoben haben, aber das Signal selbst besteht unverändert. Es wartet auf einen weiteren Ermittler, der die gleiche Frage stellt: was bedeutet das wirklich?

Im Moment lautet die Antwort, dass es sich um etwas handeln könnte, das völlig anders ist als alles, was je jemand erwartet hat. Es bildet einen passenden Abschluss einer Geschichte über ein Signal, das Forscher über viele Jahre hinweg verwirrt hat. Das Signal ist weiterhin vorhanden; es wurde einfach auf eine neue Weise erklärt.

Quellenmaterial: „Wissenschaftler haben möglicherweise einen 2 Milliarden Jahre alten Hinweis auf die Erde falsch gedeutet“, ScienceDaily.