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Da die Geowissenschaften mittlerweile eng mit den Biowissenschaften vernetzt sind, lässt sich nun auch der Einfluss der sich entwickelnden Biosphäre in diese Untersuchungen einbeziehen. Was mit „Frühgeschichte der Erde“ gemeint ist, ist im Allgemeinen nicht klar definiert. Meist umfasst der Begriff „Frühgeschichte“ die Zeitspanne vom Hadaikum (also dem Erdzeitalter vor mehr als 4 Milliarden Jahren) über das Archaikum (vor 4 bis vor 2,5 Milliarden Jahren) entweder bis ins Paläoproterozoikum (vor circa 2 Milliarden Jahren) oder bis zur Präkambrium-Kambrium-Grenze (vor circa 550 Millionen Jahren). Viele Prozesse auf der frühen Erde, etwa der Beginn der Plattentektonik oder die Entwicklung der kontinentalen Kruste, liefen ohne Zutun von Lebewesen ab. Bei anderen, von außen gesteuerten Prozessen spielte das Leben aber eine entscheidende Rolle. Diese Vorgänge können Geowissenschaftler daher nur erforschen, wenn sie eng mit den Biowissenschaften zusammenarbeiten.

Fortschritte bei den Analysemethoden haben den Kenntnisstand über die frühe Differenzierung der Erde in den letzten Jahren erheblich erweitert. Doch es bleiben offene Fragen bestehen: Gab es einen Magmaozean? Wann setzte die Plattentektonik ein, und wie entwickelte sich das Krusten-Mantel-System zu Beginn der Erdgeschichte? Die Untersuchung von Gesteinen aus dem frühen Archaikum aus Australien, Grönland und Nordkanada mit lang- und kurzlebigen radioaktiven Uhren hat jüngst gezeigt, dass sich bereits vor 4,3 bis 4,4 Milliarden Jahren kontinentale Kruste gebildet hat. Das zeigen vor allem kombinierte Uran-Blei- und Lutetium-Hafnium-Messungen an Zirkonkörnern aus dem Hadaikum und dem frühen Archaikum. Solche Untersuchungen können seit einiger Zeit mit mikroanalytischen Methoden durchgeführt werden. Dabei hat sich gezeigt, dass alle terrestrischen Gesteine etwas mehr von dem Isotop Neodym-142 enthalten als Chondrite. Womöglich liegt das an einem Reservoir im tiefen Erdmantel, das sich schon im Hadaikum bildete. Es wird angenommen, dass es sich bei diesem Reservoir um einen Kristallbrei handelt, der sich zunächst am Boden des Magmaozeans abgesetzt hatte. Allerdings gilt dieses Modell nur unter der Annahme, dass die Erde zunächst genauso viel Neodym-142 enthielt wie Chondrite. Ob die Zirkone tatsächlich aus dem Hadaikum stammen und wie sie entstanden sind, ist unter Wissenschaftlern umstritten. Auch die Bedeutung der Diamanteinschlüsse, die in diesen Zirkonen jüngst entdeckt wurden, wird kontrovers diskutiert. Dennoch deutet sich an, dass geologische Proben aus dem Hadaikum in Zukunft in stärkerem Maße direkt untersucht werden können.

Unter biologisch ausgerichteten Forschungsgebieten ist die ­Astro­biologie eine der jüngsten Disziplinen. Sie ist im Wesentlichen aus der Exobiologie hervorgegangen. Die Astrobiologie wird jedoch weiter gefasst und beinhaltet auch Fragestellungen der Geowissenschaften. Das Ziel der Astrobiologie besteht darin, den Ursprung, die Entwicklung und die Verbreitung des Lebens im Universum zu verstehen. Die potenziellen Antworten haben weitreichende philosophische und theologische Implikationen. Die Fragestellungen der Astrobiologie sind ganz ähnlich denen, die sich bei der Erforschung exogener Prozesse auf der frühen Erde ergeben. Auch mit der Sonnensystemforschung ist die Astrobiologie eng vernetzt. Aktuelle und geplante Weltraummissionen werden es bereits in den nächsten Jahren ermöglichen, in Proben vom Mars sowie in interplanetarem Staub mit modernen analytischen Methoden nach Spuren von Leben zu suchen.

Die interdisziplinäre geowissenschaftlich-biologische Forschung im Bereich „Frühe Erde und Astrobiologie“ kann an drei Beispielen skizziert werden. Dabei ist hervorzuheben, dass die zum Teil sehr kontroversen Hypothesen befruchtend auf die wissenschaftliche Diskussion wirken, da sie dazu nötigen, traditionelle Modelle zu hinterfragen und zu überprüfen.

Das erste Beispiel: In früharchaischen Sedimenten finden sich Hinweise, dass Biomasse bereits vor mindestens 3,8 Milliarden, womöglich sogar vor über 4 Milliarden Jahren existierte. Dies würde bedeuten, dass die abiotische Synthese organischer Verbindungen auf der Erde in einer relativ kurzen Zeitspanne erfolgt sein muss. Denn vorher wurde die Erde von zahlreichen großen Meteoriteneinschlägen immer wieder sterilisiert. Auf dem Mond lässt sich dieser Meteoritenregen, das so genannte „Late Heavy Bombardment“, an einer sehr hohen Rate von Meteoriteneinschlägen erkennen. Da zahlreiche organische Verbindungen wie Aminosäuren auf Meteoriten nachgewiesen wurden, vermuten einige Forscher, dass der erste Schritt zur Entstehung des Lebens nicht auf der Erde stattgefunden hat. Hier besteht großer Forschungsbedarf.

Das zweite Beispiel: Die ersten Stromatolithen traten vor circa 3,5 Milliarden Jahren auf. Dabei handelt es sich um geschichtete Sedimentgesteine, die von Mikroben gebildet werden. Heute bildet eine Gemeinschaft von Mikroorganismen ohne Zellkern die Kalkgesteine, aus denen die Stromatolithen bestehen. Vor allem Cyanobakterien (früher auch als „Blaualgen“ bezeichnet) fällen den Kalk aus. Sie betreiben Photosynthese, nehmen Kohlendioxid auf und setzen Sauerstoff frei. Für präkambrische Stromatolithen wird Vergleichbares angenommen. Das würde aber bedeuten, dass bereits vor 3,5 Milliarden Jahren freier Sauerstoff produziert wurde. Auch 2,7 Milliarden Jahre alte Biomarker weisen auf die Existenz der Photosynthese hin. Doch bis vor etwa 2,4 Milliarden Jahren existierte eine extrem sauerstoffarme oder gar sauerstofffreie Erdatmosphäre. Zahlreiche andere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass bis vor etwa 2,4 Milliarden Jahren eher reduzierende Umweltbedingungen an der Erdoberfläche und in den Ozeanen herrschten, dass also noch kein freier Sauerstoff vorhanden war. Existierten in der Zwischenzeit womöglich „Sauerstoff-Oasen“ – ökologische Nischen, in denen photosynthesetreibende Organismen lebten? Da­rauf deuten sowohl Untersuchungen der Thorium-Uran-Verteilung in 3,8 Milliarden Jahre alten Gesteinen als auch Messungen von Molybdän-Isotopen in 2,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen hin.

Das dritte Beispiel: Eine weitere Kontroverse entzündet sich an den präkambrischen gebänderten Eisenformationen (banded iron-formations, kurz BIFs). Sie liefern seit dem 19. Jahrhundert den Rohstoff für die Stahlindustrie und wurden daher intensiv untersucht. Die BIFs entstanden hauptsächlich während des Archaikums und waren bis vor etwa zwei Milliarden Jahren weit verbreitet. Deshalb sind sie in nahezu jeder Schichtenfolge aus dem frühen Präkambrium anzutreffen. Es muss damals ein großes Reservoir an gelöstem Eisen gegeben haben. Dabei kann es sich letztlich nur um sauerstofffreies Meerwasser gehandelt haben.

Das interdisziplinäre Forschungsgebiet „Frühe Erde und Astrobiologie“ behandelt absolute Grundfragen des Menschen: Wann, wo und wie hat sich das Leben entwickelt und im Universum verbreitet? Das Verständnis der Prozesse und Umweltbedingungen auf der frühen Erde ist aber auch deshalb von Bedeutung, weil sich im Präkambrium die meisten Erzlagerstätten bildeten. Die Forschung in diesem Themenbereich ist somit nicht nur von akademischem Interesse, sondern auch ökonomisch motiviert.

Die Astrobiologie und die Erforschung der frühen Erde stoßen in der Öffentlichkeit auf große Resonanz. Für Aufregung sorgten unter anderem die Ergebnisse der jüngsten Mars-Missionen. Abgesehen von ersten Ansätzen existiert in Deutschland jedoch bislang kein Standort, an dem diese Forschungsrichtung als Schwerpunkt vertreten ist. Vergleicht man die Situation mit dem europäischen und außereuropäischen Ausland, so weist die deutsche Wissenschaftslandschaft hier ein eklatantes Defizit auf. Dabei ist die Kombination der Erforschung der frühen Erde mit der Astrobiologie ein exzellentes Beispiel dafür, wie moderne interdisziplinäre naturwissenschaftliche Forschung und Ausbildung aussehen kann. Da dieses Forschungsgebiet sowohl von akademischem als auch von ökonomischem Interesse ist und ein großes Medien- und Öffentlichkeitsinteresse genießt, bietet sich die Chance, die fundamentale Bedeutung der Geowissenschaften für eine moderne Industriegesellschaft im Bewusstsein der Öffentlichkeit und der politischen Entscheidungsträger zu verankern.

Auf den alten präkambrischen Schilden, wie zum Beispiel im südlichen Afrika und in Westaustralien, ist das Gestein bis in große Tiefen verwittert. Um frisches Probenmaterial zu gewinnen, sind Forschungsbohrungen notwendig. So kann sichergestellt werden, dass exzellente moderne Analysemethoden auf geeignete Proben angewendet werden.

Neue analytische Methoden, zum Beispiel verbesserte massenspektrometrische und räumlich hochauflösende Verfahren, haben in den letzten Jahren viele neue Erkenntnisse über die frühe Entwicklung der Erde geliefert. So weiß man inzwischen mehr darüber, wann die moderne Plattentektonik in Gang gekommen ist, wann zum ersten Mal kontinentale Kruste entstanden ist und ob sich früh in der Erdgeschichte Silikatreservoire im tieferen Erdmantel (so genannte „hidden reservoirs“) gebildet haben. Weitere Themen sind die frühe Differenzierung und Homogenisierung des Erdmantels, die Bildung von Kratonen, die Mechanismen der Krustenbildung im Archaikum sowie die Rolle von Wasser bei der frühen Krusten-Mantel-Differenzierung.

Bisher ist immer noch ungeklärt, wieso Eisen in den extrem sauer­stoffarmen Meeren des Archaikums oxidiert wurde und wieso sich Eisenoxide am Meeresboden ablagern konnten. Womöglich wurde das Eisen indirekt durch molekularen Sauerstoff oxidiert, der von Lebewesen produziert wurde. Oder es wurde durch den Prozess der anorganischen Photooxidation umgewandelt. In den letzten Jahren hat sich außerdem gezeigt, dass heutige Organismen, die Licht als Energiequelle nutzen (so genannte photoautotrophe Organismen), gelöstes zweiwertiges Eisen in einem sauerstofffreien Ozean direkt oxidieren können. Untersuchungen deuten darauf hin, dass im frühen Präkambrium ebenfalls Organismen existierten, die die ­Energie von Licht nutzten, um Eisen zu oxidieren und daher in sauerstofffreiem Meerwasser Eisenoxide bilden konnten. Das stellt die bisherige Lehrmeinung in Frage. Demnach war die oxygene Photosynthese – also die Form der Photosynthese, bei der Sauerstoff freigesetzt wird – die Voraussetzung dafür, dass sich Bändereisenerze bilden konnten. Dieses Beispiel zeigt, wie die enge Verknüpfung von Geowissenschaften und Biowissenschaften eine allgemein akzeptierte Annahme in Frage stellt und so einen erheblichen Erkenntnisgewinn schafft.