Woher wissen wir wie die Erde entstanden ist?

Die Erde besteht aus vier Hauptschichten: der Erdkruste, dem Erdmantel und dem äußeren und dem inneren Kern. Auch mit modernsten wissenschaftlichen Techniken können wir diese Erdschichten nicht direkt erreichen – mit Ausnahme der äußeren Schicht, der Erdkruste, auf der wir leben.

Der tiefste Punkt, der jemals in die Erdkruste gebohrt wurde, geht nur 12 km ins Erdinnere (das ist ungefähr so weit wie die Strecke von Münster-Gievenbeck nach Münster-Gremmendorf). Um den Mittelpunkt der Erde zu erreichen, müssten wir 6371 km lang bohren, was in etwa der Entfernung zwischen Münster und Washington DC entspricht.

Wie können wir also etwas über die inneren Schichten der Erde lernen, obwohl wir sie nicht direkt untersuchen können?

Wellen, die bei großen Erdbeben entstehen, können uns helfen. Diese Wellen, seismische Wellen genannt, breiten sich im Inneren unseres Planeten aus und können uns einige wertvolle Informationen über die Zusammensetzung der inneren Erdschichten geben. Es gibt zwei Haupttypen von seismischen Wellen: primäre und sekundäre. Primären Wellen können sich sowohl in festen Stoffen als auch in Flüssigkeiten ausbreiten. Sekundäre Wellen breiten sich hingegen nur in festen Stoffen aus. Wenn wir also zum Beispiel ein Erdbeben in Indonesien haben, können wir die seismischen Wellen in Münster mit einem hochempfindlichen Seismometer nachweisen. Wir können die Ankunft der Primärwellen beobachten, aber nicht die der Sekundärwellen. Warum? Weil die Sekundärwellen während ihrer Reise im Inneren unseres Planeten auf eine Flüssigkeitsschicht "stoßen" und somit ihre Reise zu unserem Seismometer abbrechen. Die flüssige Schicht, auf die sie treffen, ist der äußere Erdkern. Er ist der Grund, warum wir die Sekundärwellen, die von der gegenüberliegenden Seite des Planeten kommen, nicht messen können.

Seismische Wellen können auch gebogen werden und ihre Geschwindigkeit ändern, wenn sie von einem Material zum anderen wandern. Durch die Untersuchung der Variationen in der Geschwindigkeit der Primärwellen entdeckte eine Forscherin, Inge Lehmann, das Vorhandensein des inneren festen Kerns der Erde, direkt im Zentrum unseres Planeten.

Wissenschaftler:innen entwickelten auch andere Methoden, um das Innere der Erde zu untersuchen, wie z. B. Experimente zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der verschiedenen Schichten. Tatsächlich können wir die in der Tiefe herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen simulieren, indem wir Feststoffpressen, sogenannte Kolbenzylinder, verwenden. Mit diesen Geräten können wir Bedingungen bis zu 100 km in der Tiefe simulieren. Wir können zum Beispiel untersuchen, wie sich ein Gestein bei bestimmten Bedingungen verhält, welche Mineralien stabil sind oder was mit bestimmten Stoffen wie Wasser oder Kohlendioxid passiert, wenn sie in den tiefen Bereichen unseres Planeten vorhanden sind.

Um noch höhere Druckbedingungen zu simulieren, entwickelten Wissenschaftler:innen eine weitere interessante Apparatur, die sogenannte Diamant-Anvil-Zelle. Diamanten sind das härteste natürliche Material. Durch das Zusammendrücken einer Probe zwischen zwei Diamanten können wir einen extremen Druck erzeugen, der den Bedingungen im inneren Erdkern entspricht. Dadurch können wir seine Zusammensetzung untersuchen – so wie es Inge Lehmann in ihren Studien über seismische Wellen vorausgesagt hat.

Am Anfang war nur Sternenstaub - und dann rührte sich was. Wie aus toter Materie Leben entstehen konnte, gehört zu den großen Fragen der Menschheit. Ein paar Antworten haben Forscher bereits.

Wer wir sind und woher wir kommen, fragen sich die Menschen seit Urzeiten. Früher suchten wir Antworten in der Religion. Heute wissen wir, dass die Erde und alles, was darauf zu finden ist, aus Sternenstaub besteht. Aber das große Rätsel bleibt immer noch ungelöst: Wie konnte sich aus einem Haufen toter Materie Leben entwickeln? Und wann?

Auf der Suche nach Antworten auf diese Fragen sind Naturwissenschaftler dem Pfad der Evolution durch die Zeit zurück gefolgt, bis in die früheste Geschichte unseres Planeten. Und heute wissen sie recht genau, wie jene Form irdischen Lebens ausgesehen haben muss, von der alle heutigen Lebewesen abstammen.

"Luca" (Last Universal Common Ancestor) - so heißt dieser "letzte gemeinsame Vorfahre". Er muss bereits vor etwa 3,6 Milliarden Jahren existiert haben, das hat eine genetische Analyse heute lebender Organismen ergeben. Luca bestand aus einer einzigen Zelle und mochte es heiß - gerne so um die 100 Grad Celsius.

Seine Beschreibung klingt nach einem einfachen Organismus, aber der Eindruck täuscht: Luca war bereits ein hochkomplexes Lebewesen mit einigen hundert Genen. Vor ihm muss es simplere Formen gegeben haben. Wie sie aber ausgesehen haben, wie und wieso sie auf dem jungen Planeten Erde auftauchten, liegt noch weitgehend im Dunkeln.

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Forscher haben allerdings einige Theorien dazu entwickelt. Ihre Suche hat sie in die Tiefen des Urmeeres geführt, zu Tümpeln am öden, felsigen Strand der ersten Landmassen und bis in die Tiefen des Alls, zu fernen, vielleicht längst verglühten Sonnensystemen.

Ausgangspunkt: Eine Hölle vor vier Milliarden Jahren

Die Entstehung unserer Erde beginnt vor etwa fünf bis 4,6 Milliarden Jahren: Eine Wolke aus Staub und Gas verdichtet sich zur Sonne und zu den Planeten - darunter auch unsere Erde. Die Erdoberfläche erstarrt im Laufe der Jahrmillionen zu einer steinernen Kruste, der Planet hüllt sich in eine heiße Atmosphäre aus Methan, Ammoniak und anderen giftigen Gasen, die langsam abkühlen. Wasserdampf kondensiert zum Urmeer.

Licht und Dunkelheit, Feuchtigkeit und Trockenheit, Hitze und Kälte - die ständig wechselnden Bedingungen befeuern chemische Reaktionen. So müssen sich damals aus einfachen Kohlenstoffverbindungen, aus Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und anderen Stoffen komplexe Moleküle gebildet haben - die schließlich zu Leben wurden. Und das mit einer Geschwindigkeit, die Wissenschaftler noch immer vor ein Rätsel stellt.

Die ältesten bekannten Fossilien, die auf die Existenz von Leben hinweisen, finden sich jüngsten Entdeckungen zufolge im Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel in Nordkanada an der Hudson Bay. Es handelt sich um Röhren und Filamentstrukturen, die im Aufbau Bakterienkolonien ähneln. Das Alter des Gesteins wird auf 3,77 bis 4,3 Milliarden Jahre geschätzt. Damit wären die Lebensformen hier mindestens 700 Millionen Jahre älter gewesen als Bakterien, die vermutlich die Stromatolithen hinterlassen haben, die 2015 in Grönland entdeckt wurden.

In einem Zirkonkristall aus Westaustralien haben Forscher der University of California Hinweise auf Organismen entdeckt, die sogar vor 4,1 Milliarden Jahren gelebt haben könnten. Die Mineralien enthalten ein Verhältnis von Kohlenstoffisotopen, das üblicherweise in Lebewesen zu finden ist.

Die Funde deuten darauf hin, dass bereits Leben existierte, bald nachdem die Planetenoberfläche erstarrt war: Das "höllische" Zeitalter Hadaikum, benannt nach der griechischen Unterwelt Hades, neigt sich gerade dem Ende zu. Eingeläutet wird das folgende Zeitalter des Archaikums durch das "Große Bombardement". Meteoriten schlagen in riesiger Zahl auf der Erde ein. Und ausgerechnet unter diesen extremen Bedingungen tauchen plötzlich die ersten Grundformen des Lebens auf.

Für die Entwicklung der ersten Lebensformen waren demnach nur einige hundert Millionen Jahre notwendig - eine in geologischen Maßstäben kurze Zeit. Bis dann mehrzellige Organismen wie etwa Grünalgen auftauchen, vergehen dagegen ein bis zwei Milliarden Jahren, also eine viel längere Zeit.

Aliens als Urahnen?

Manche Forscher vermuten deshalb, dass die Zeit für die Entstehung des ersten Lebens auf der Erde gar nicht gereicht hat. Ihre Hypothese, die Panspermie, besagt, dass Bausteine des Lebens oder sogar einfache Formen von Organismen von viel älteren Himmelskörpern irgendwo im Weltraum über Asteroiden oder Kometen zur Erde gelangt sind.

Tatsächlich wurden auf Kometen und Asteroiden und sogar in kosmischen Gas- und Staubwolken organische Moleküle identifiziert, die als Bausteine des Lebens betrachtet werden - darunter so komplexe Formen wie Aminosäuren. Die Panspermie ist dennoch äußerst umstritten. Und sie lässt letztlich die Frage offen, wie das Leben dann andernorts entstanden sein könnte. Dieses Rätsel wird so nur in eine andere Zeit und einen anderen Ort verlagert.

Chemische Baukästen in brodelnden Tümpeln

Die meisten Forscher suchen darum den Ursprung des Lebens weiterhin auf der jungen Erde. Eine der wichtigsten Fragen ist, ob die Bedingungen damals überhaupt geeignet waren, um die notwendigen Bausteine entstehen zu lassen.

Stanley Miller und Harold Urey wollten 1952 diese Frage an der University of Chicago beantworten. Mit einem bis heute berühmten Experiment: Miller erzeugte in einem Glaskolben eine "Uratmosphäre" aus Wasserdampf, Ammonium, Methan und Wasserstoff und sorgte darin für elektrische Blitze. Innerhalb einiger Tage entstanden Aminosäuren und Zuckermoleküle. Das "Ursuppen"-Experiment zeigte, dass der Schritt von der anorganischen in die organische Welt in der Urzeit mit einfachen Zutaten tatsächlich möglich war.

Woher weiss man wie die Erde entstand?

Wer hat das Alter der Erde bestimmt?

Wie ist das erste Leben auf der Erde entstanden?

Was entstand die Erde?