Die Erde, ein riesiger, fetter Schneeball

An der Australian National University in Canberra forscht der Paläontologe Jochen Brocks an Ereignissen, die 700 Millionen Jahre zurückliegen. Im Gespräch erklärt er, wie die Erde zweimal einfror, warum sie wieder auftaute – und warum er als Forscher sehr viel Fantasie braucht.

Science Notes: Herr Brocks, gestern Nacht sind Sie von einem Feldversuch zurückgekommen. Was haben Sie untersucht?

Jochen Brocks: Ich habe das gemacht, was ich auch als kleiner Junge in Deutschland immer gemacht habe, nämlich: Fossilien gesammelt. Wir haben eine Stätte im Südwesten Australiens entdeckt, die ist voll von jungem Zeug, so 15 Millionen Jahre alt. Da sitzt man drei Tage in der heißen Sonne, buddelt Steine aus dem Boden, spaltet sie und schaut, ob man Fossilien findet. Die Fossilien, die wir entdeckt haben, sind wahnsinnig gut erhalten. Unter dem Mikroskop kann man zum Beispiel die einzelnen Haare einer Spinne oder Proteinstränge in den Flügeln von Käfern erkennen.

»Besonders junges Zeug«?

Ja, eigentlich ist das gar nicht mein Aufgabengebiet, diese Exkursion war nur so zum Spaß. In meiner Arbeit beschäftige ich mich sonst eher mit Dingen, die 720 bis 635 Millionen Jahre zurückliegen. Diese Zeit heißt in Fachsprache Kryogenium, das bedeutet übersetzt »gefrorene Periode«.

Damals war die Erde ein riesiger, fetter Schneeball – »Snowball Earth«.

Genau genommen gab es im Kryogenium zwei riesige, fette Schneebälle, denn die Erde vereiste zwei Mal hintereinander: Die erste Eiszeit heißt Sturtische Eiszeit und existierte vor 717 bis 659 Millionen Jahren. Die zweite nennt sich Marinoische Eiszeit. Mit ihr froren die Ozeane vor 650 bis 640 Millionen Jahren wieder ein. Als sie vor 635 Million Jahren wieder auftauten, markierte das das Ende des Kryogeniums.

Das Tauen dieser vereisten Erde war entscheidend dafür, dass wir Menschen heute existieren, sagen Sie. Inwiefern?

Es war eine Art Hebel, der die Chemie der Ozeane komplett verändert und so die Entstehung komplexen Lebens überhaupt erst ermöglicht hat. Dazu muss man wissen: Als die Erde noch vereist war, sind riesige Eismassen – Gletscher – über die Kontinente geschabt und haben ganze Gebirgsketten zu Pulver zermalmt. Ein solches Sediment haben wir dank der letzten Eiszeit auch in den Böden in Deutschland.

Sie sprechen von Lössböden, richtig?

Genau, das sind sehr fruchtbare Böden. Zu Zeiten der Snowball-Earth wurden aber viel mehr Gesteine von Gletschern zermalmt als zur tausendfach kürzeren, letzten Eiszeit. Als das Eis der Schneeball-Erden taute, ist der Löss mit dem Schmelzwasser ins Meer geflossen und hat dort die Nährstoffkonzentration verändert. Nach dem ersten Snowball gab es deshalb ein massives Wachstum von Cyanobakterien. Nach dem zweiten Snowball sind dann noch viel größere und nährstoffreichere Grünalgen aufgetaucht. Letztere haben den Kohlenstoffzyklus der Erde neu bestimmt: Mit den Algen gab es auch höherwertige Nahrung. Dadurch wurde die Nahrungskette effizienter und es lohnte sich für Organismen, größer und komplexer zu werden. Nur so konnten schlussendlich auch wir Menschen entstehen.

Wie können wir uns die beiden Schneeball-Erden vorstellen?

Dafür gibt es zwei Theorien: Hard Snowball und Soft Snowball. Letztere geht davon aus, dass der Globus nicht komplett vereist war, sondern dass es am Äquator noch einen Ring offenes Meer gab. Ein Hard Snowball dagegen würde bedeuten, dass die Erde komplett zugefroren war, von den Polen bis zum Äquator. Dass es keinen offenen Ozean mehr gab, alle Flüsse und Seen eingefroren waren und alles Land mit Schnee und Eis bedeckt war. Am Anfang der ersten Snowball-Periode war es in diesem Szenario an den Polen minus 60 Grad Celsius kalt und am Äquator, wo das Eis bis zu 500 Meter dick war, bis minus 50 Grad Celsius. Ich persönlich mag die Hard-Snowball-Theorie ja lieber. Aber ich fürchte, die andere ist wahrscheinlicher.

Was gefällt Ihnen an der Vorstellung einer komplett gefrorenen Erde so gut?

Es ist viel dramatischer! Die Frage, wie unter diesen Umständen Organismen überlebt haben können, ist wahnsinnig spannend. Wenn es noch offenes Wasser gab, ist es relativ einfach zu erklären, wo Algen und Mikroorganismen überlebt haben. Die Chemie eines komplett gefrorenen Ozeans ist etwas ganz anderes, weil es kaum Austausch zwischen dem Ozean und der Atmosphäre gibt.

Was für eine Art von Leben hat vor den Snowball-Earth-Perioden existiert?

Es gab auf jeden Fall mikroskopische, einzellige Organismen. Zum Beispiel Bakterien und Archaeen. Wenn man diese als Fossilien findet, sehen sie normalerweise aus wie kleine, runde Punkte. Und es existierten auch schon Eukaryoten, also Organismen mit Zellkern; zum Beispiel findet man Amöben, Pilze und auch schon ein paar wenige mehrzellige Algen. Die müssen alle irgendwie überlebt haben. Die einfachste Erklärung dafür – unter Voraussetzung eines Hard Snowball – wären hydrothermale Quellen an der Oberfläche, wie es sie zum Beispiel im Yellowstone Nationalpark gibt: Grundwasser, das mit Vulkangestein in Berührung kommt, heiß wird und dann nach oben schießt. Dieses Wasser läuft erst in Becken, dann in Bäche und die gefrieren auf der Snowball-Earth irgendwann. Aber zwischen 100 Grad und 0 Grad gibt es für alle Organismen passende Temperaturen, um zu überleben.

Also, die Erde friert vollständig zu, dann taut sie wieder auf. Dann gefriert sie nochmal und schlussendlich taut sie ganz auf. Wie kann man das erklären?

Es gibt verschiedene Theorien. Eine geht davon aus, dass Vulkane dafür verantwortlich waren: Sie haben in der Zeit vor dem ersten Schneeball Schwefelpartikel in die Atmosphäre gepustet. Diese Partikel reflektieren Sonnenlicht, das macht die Erde kälter. Dadurch gab es mehr Eis am Nord- und Südpol. Wegen dieser hellen Kappen wurde schließlich noch mehr Sonnenlicht reflektiert, das nennt man Albedo-Effekt. Mehr Kälte, mehr Eis, weniger Sonnenlicht: So begann eine Spirale. Es gibt Berechnungen, nach denen es keinen Halt mehr gibt, wenn das Eis einmal bis zum 35. Breitengrad vorgedrungen ist. Dann friert die Erde komplett zu, weil sie zu wenig Sonnenwärme aufnimmt.

Das würde für die Hard-Snowball-Theorie sprechen, oder?

Theoretisch, ja. Nur hat man irgendwann festgestellt: Eis ist nicht immer strahlend weiß. Es gibt auch schmutziges Eis, zum Beispiel, wenn Vulkanasche darauf landet. Über die Jahrmillionen hat das Eis zudem Risse bekommen und Matsch angehäuft, weil es sich wegen der Gravitation von den Polen hin zum Äquator bewegt hat. Graues Eis absorbiert Wärme und schmilzt irgendwann. Das würde dafür sprechen, dass es am Äquator noch einen Ring Wasser gab: Soft Snowball also.

Erklärt das auch, wieso die Erde wieder aufgetaut ist?

Nein, dafür braucht es mehr als ein bisschen Matsch. Nämlich: einen Treibhausgaseffekt. Die Vulkane damals haben auch Kohlenstoffdioxid ausgespuckt, aber es gab fast keine Photosynthese, die das CO₂ aus der Atmosphäre entfernt hat. Also hat es sich angereichert. Heute haben wir ungefähr 0,04 Prozent CO₂ in der Atmosphäre. Damals glich die Atmosphäre irgendwann einer Mineralwasserflasche, mit einer Konzentration von bis zu 20 Prozent Kohlenstoffdioxid. Das hat die Erde aufgeheizt, das Eis ist geschmolzen und der Globus hat immer mehr Wärme aufgenommen. Als der erste Schneeball komplett geschmolzen war, waren es bis zu 50 Grad Celsius am Äquator. Das viele CO₂ wurde durch die Verwitterung von Silikatgesteinen und der Aktivität der Cyanobakterien innerhalb von ein paar Millionen Jahren wieder aus der Atmosphäre entfernt. Aber die Bedingungen, die den ersten Schneeball erzeugt hatten, waren immer noch da. Also kam es zu einem zweiten.

Und wieso kam nach dem zweiten Schneeball dann kein dritter und vierter und so weiter?

Ich denke, das liegt daran, dass sich die Landmassen verändert haben. Vor dem ersten Schneeball hatten sich die Kontinentalplatten noch nicht zu den Polen vorgearbeitet, sie waren nirgends von Eis bedeckt. Weil das Gestein in den Landmassen durch Verwitterung CO₂ aus der Atmosphäre entnimmt, konnte die Erde kälter werden. Nach dem zweiten Schneeball aber waren die Platten verschoben, es gab Landmassen näher am Nord- und Südpol. Diese waren eine Art Schutzschild gegen einen dritten Schneeball: Weil sich Eis auf diesen Kontinenten aufbaute, konnte das Gestein unter dem Eis nicht verwittern. So wurde kein CO₂ aus der Atmosphäre entnommen und die Erde nicht ausgekühlt. Ganz neue Erkenntnissen zeigen außerdem, dass der CO_2-Ausstoß von Unterwasservulkanen am Mittelozeanischen Rücken während des Kryogeniums kontinuierlich anstieg. Das erklärt, wieso es danach nie wieder so kalt werden konnte, dass die Ozeane bis zum 35. Breitengrad einfroren.

Diese Vorgänge liegen so weit zurück, dass es damals noch andere Kontinente gab. Die meisten Menschen können sich das nicht einmal vorstellen, aber Sie verbringen damit einen Großteil Ihrer Lebenszeit.

Ich habe das Gefühl, diese Art von Wissenschaft zieht sehr bestimmte Charaktere an: Menschen, die gut mit Ungewissheit umgehen können, und die auch Fantasie haben. Je weiter man zurückgeht in der Zeit, desto weniger kann man sicher wissen oder nachweisen. Ich kann das Kyrogenium kein zweites Mal abspielen, um direkt zu beobachten, was in der Vergangenheit passiert ist. Aber ich kann die Chemie von Gesteinsablagerungen, die einmal der Meeresboden waren, erforschen, um Hypothesen aufzustellen und zu testen. So kann ich Geschichten aus der Vergangenheit erzählen.

Sie nennen Ihr Forschungsgebiet »Paläobiogeochemie«. Was genau verstehen Sie darunter?

Ich interessiere mich für Leben, das sehr lange zurückliegt, deshalb »Paläobio«. Dafür nehme ich geologische Gesteinsproben – »geo« –, die ich wiederum auf biochemische Signale hin untersuche.

Was reizt Sie daran?

Ich mag die Mischung aus der abstrakten Chemie und der konkreten Geologie. Mich interessieren die von Organismen zurückgebliebenen Moleküle in den Steinen. Sie sind oft das Einzige, was übrig ist. Wenn ein höheres Lebewesen stirbt, zersetzen sich als erstes die Haut und die Muskeln, also alles, was weich ist. Dann die Knorpel, später die Knochen und irgendwann auch die Zähne. Das, was sehr lange erhalten bleiben kann, ist unser Fett – in einer fossilen molekularen Form, die dem ähnlich ist, was wir heute als Erdöl kennen.

Wie können diese Moleküle so lange erhalten bleiben?

Wenn Tiere und Pflanzen im Meer sterben, sinken ihre Überreste zu Boden und ein kleiner Teil der Moleküle legt sich wie ein Film auf das Gestein am Meeresboden. Über Millionen von Jahren lagern sich Sedimente darüber ab und verhindern, dass Sauerstoff an die Moleküle kommt. So bleiben sie als eine Art Fossil erhalten. Indem wir diese Moleküle aus dem Gestein extrahieren, können wir etwas über die damaligen Lebewesen lernen. Mithilfe eines Massenspektrometers versuche ich dann herauszufinden, wie die fossilen Moleküle aufgebaut sind. Das gibt Aufschluss über das Lebewesen, von dem sie stammen.

Sie haben geholfen, das älteste bekannte Fossil eines Tieres zu identifizieren – anhand dieser Methode?

Ja, das war Dickinsonia, ein Organismus, der vor ungefähr 555 Millionen Jahren gelebt hat – bevor erkennbare Tiere auftauchten. Er sah aus wie eine gerippte Badematte. Normalerweise war er nur ein paar Zentimeter groß, aber in der Form von Dickinsonia rex wurde er bis zu 1,40 Meter groß und lag wohl flach auf dem Meeresboden herum. Lange war nicht klar, was für eine Art Lebewesen Dickinsonia war: eine Flechte, ein Meerespilz, ein riesiger Einzeller oder doch ein mehrzelliges Tier? Mein Doktorand Ilya Bobrovskiy hat ein Dickinsonia-Fossil gefunden und im Gestein war ein Film organischer Materie erhalten, ein Mikrometer dünn. Der war voll mit Cholestan, also dem fossilen Molekül von Cholesterol. Das ist ein entscheidender Baustein der tierischen Zellmembran. Dickinsonia muss also ein für die damalige Zeit riesiges, mehrzelliges Tier gewesen sein. Diese ersten großen Organismen, zu denen Dickinsonia gehört, nennt man die Ediacara-Fauna. Das Verrückte ist: In den Gesteinsproben aus den Jahrmillionen vor der Ediacara-Fauna findet man lediglich Nachweise mikroskopisch kleiner Einzeller. Dass dann, wie aus dem Nichts, metergroße Organismen wie das Dickinsonia-Tier auftauchten, ist ein Rätsel. Ich denke: Dass ein so komplexes Lebewesen so plötzlich entstehen konnte, verdanken wir auch dem Schmelzen der zweiten Schneeball-Erde.

Erschienen am 12. April 2024