Evolution der Erde
Wie der Lapislazuli-Edelstein, dem er ähnelt, scheint der blaue, wolkenumhüllte Planet, den wir auf Satellitenbildern sofort erkennen, bemerkenswert stabil zu sein. Kontinente und Ozeane, umgeben von einer sauerstoffreichen Atmosphäre, beherbergen vertraute Lebensformen. Doch diese Beständigkeit ist eine Illusion, die durch die menschliche Erfahrung mit der Zeit erzeugt wird. Die Erde und ihre Atmosphäre werden ständig verändert. Die Plattentektonik verschiebt die Kontinente, hebt Berge und bewegt den Meeresboden, während Prozesse, die noch nicht vollständig verstanden sind, das Klima verändern.
Solche ständigen Veränderungen kennzeichnen die Erde seit ihren Anfängen vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Von Anfang an prägten Wärme und Schwerkraft die Entwicklung des Planeten. Zu diesen Kräften gesellten sich allmählich die globalen Auswirkungen der Entstehung von Leben. Die Erforschung dieser Vergangenheit bietet uns die einzige Möglichkeit, den Ursprung des Lebens und vielleicht auch seine Zukunft zu verstehen.
Wissenschaftler glaubten früher, dass die Gesteinsplaneten, darunter die Erde, der Merkur, die Venus und der Mars, durch den raschen Gravitationskollaps einer Staubwolke entstanden sind, eine Deformation, die eine dichte Kugel entstehen ließ. In den 1960er Jahren änderte das Apollo-Raumfahrtprogramm diese Ansicht. Untersuchungen von Mondkratern ergaben, dass diese Einkerbungen durch den Einschlag von Objekten verursacht wurden, die vor etwa 4,5 Milliarden Jahren in großer Zahl vorhanden waren. Danach schien die Zahl der Einschläge schnell abzunehmen. Diese Beobachtung gab der von Otto Schmidt aufgestellten Theorie der Akkretion neue Nahrung. Der russische Geophysiker hatte 1944 vorgeschlagen, dass Planeten allmählich, Schritt für Schritt, größer werden.
Schmidt zufolge verklumpte kosmischer Staub zu Partikeln, Partikel wurden zu Kies, Kies wurde zu kleinen Kugeln, dann zu großen Kugeln, dann zu winzigen Planeten oder Planetesimalen, und schließlich wurde der Staub so groß wie der Mond. Als die Planetesimale größer wurden, nahm ihre Zahl ab. Folglich nahm auch die Zahl der Kollisionen zwischen Planetesimalen oder Meteoriten ab. Da weniger Objekte für die Akkretion zur Verfügung standen, dauerte es sehr lange, bis sich ein großer Planet bildete. Eine Berechnung von George W. Wetherill von der Carnegie Institution of Washington legt nahe, dass zwischen der Entstehung eines Objekts mit einem Durchmesser von 10 Kilometern und einem Objekt von der Größe der Erde etwa 100 Millionen Jahre vergehen könnten.
Der Prozess der Akkretion hatte erhebliche thermische Folgen für die Erde, Folgen, die ihre Entwicklung stark beeinflussten. Große Körper, die auf den Planeten prallten, erzeugten in seinem Inneren eine enorme Hitze, die den kosmischen Staub zum Schmelzen brachte, der sich dort befand. Der so entstandene Schmelzofen – etwa 200 bis 400 Kilometer unter der Erde gelegen und als Magmaozean bezeichnet – war über Millionen von Jahren aktiv und führte zu Vulkanausbrüchen. Als die Erde noch jung war, wurde die durch Vulkanismus und Lavaausbrüche aus dem Erdinneren verursachte Hitze an der Oberfläche durch den ständigen Beschuss riesiger Objekte verstärkt, von denen einige vielleicht die Größe des Mondes oder sogar des Mars hatten. In dieser Zeit war kein Leben möglich.
Das Apollo-Programm hat nicht nur geklärt, dass die Erde durch Akkretion entstanden ist, sondern die Wissenschaftler waren auch gezwungen, zu versuchen, die spätere zeitliche und physikalische Entwicklung der frühen Erde zu rekonstruieren. Dieses Unterfangen wurde von den Begründern der Geologie, darunter Charles Lyell, dem der folgende Satz zugeschrieben wird, für unmöglich gehalten: Keine Spur von einem Anfang, keine Aussicht auf ein Ende. Diese Aussage vermittelt die Vorstellung, dass die junge Erde nicht wieder erschaffen werden kann, weil ihre Überreste durch ihre eigene Aktivität zerstört wurden. Mit der Entwicklung der Isotopengeologie in den 1960er Jahren war diese Ansicht jedoch überholt. Die Geochemiker, die durch Apollo und die Entdeckungen des Mondes in ihrer Fantasie beflügelt wurden, begannen, diese Technik anzuwenden, um die Entwicklung der Erde zu verstehen.
Die Datierung von Gesteinen mit Hilfe so genannter radioaktiver Uhren ermöglicht es den Geologen, auf alten Böden zu arbeiten, die keine Fossilien enthalten. Die Zeiger einer radioaktiven Uhr sind Isotope – Atome desselben Elements, die unterschiedliche Atomgewichte haben – und die geologische Zeit wird durch die Zerfallsrate eines Isotops in ein anderes gemessen. Unter den zahlreichen Uhren sind diejenigen, die auf dem Zerfall von Uran 238 in Blei 206 und von Uran 235 in Blei 207 beruhen, besonders interessant. Geochronologen können das Alter von Proben bestimmen, indem sie nur das Tochterprodukt – in diesem Fall Blei – des radioaktiven Elternteils, des Urans, analysieren.
Die Suche nach Zirkonen
ISOTOPE GEOLOGY hat es den Geologen ermöglicht, festzustellen, dass die Akkretion der Erde in der Differenzierung des Planeten gipfelte: die Entstehung des Kerns – die Quelle des Erdmagnetfelds – und der Beginn der Atmosphäre. Im Jahr 1953 wurde in der klassischen Arbeit von Claire C. Patterson vom California Institute of Technology mit Hilfe der Uran-Blei-Uhr ein Alter von 4,55 Milliarden Jahren für die Erde und viele der Meteoriten, aus denen sie entstand, festgelegt. In den frühen 1990er Jahren führten jedoch Arbeiten von einem von uns (Allègre) über Blei-Isotope zu einer etwas neuen Interpretation.
Wie Patterson argumentierte, wurden einige Meteoriten tatsächlich vor etwa 4,56 Milliarden Jahren gebildet, und ihre Trümmer bildeten die Erde. Aber die Erde wuchs durch den Beschuss von Planetesimalen bis etwa 120 Millionen bis 150 Millionen Jahre später weiter. Zu diesem Zeitpunkt – vor 4,44 bis 4,41 Milliarden Jahren – begann die Erde, ihre Atmosphäre zu behalten und ihren Kern zu bilden. Diese Möglichkeit wurde bereits vor zwei Jahrzehnten von Bruce R. Doe und Robert E. Zartman vom U.S. Geological Survey in Denver vorgeschlagen und stimmt mit Wetherills Schätzungen überein.
Die Entstehung der Kontinente erfolgte etwas später. Nach der Theorie der Plattentektonik sind diese Landmassen der einzige Teil der Erdkruste, der nicht recycelt und folglich während des geothermischen Zyklus, der durch die Konvektion im Erdmantel angetrieben wird, zerstört wird. Die Kontinente stellen somit eine Art Gedächtnis dar, denn in ihren Gesteinen sind die Spuren des früheren Lebens ablesbar. Die geologische Aktivität, einschließlich Plattentektonik, Erosion und Metamorphismus, hat jedoch fast alle alten Gesteine zerstört. Nur sehr wenige Fragmente haben diese geologische Maschine überlebt.
Dennoch wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere wichtige Entdeckungen gemacht, wiederum mit Hilfe der Isotopengeochemie. Eine Gruppe unter der Leitung von Stephen Moorbath von der University of Oxford entdeckte in Westgrönland ein Gelände, das zwischen 3,7 und 3,8 Milliarden Jahre alt ist. Außerdem untersuchte Samuel A. Bowring vom Massachusetts Institute of Technology ein kleines Gebiet in Nordamerika – den Acasta-Gneis -, der 3,96 Milliarden Jahre alt sein soll.
Schließlich führte die Suche nach dem Mineral Zirkon andere Forscher zu noch älterem Terrain. Zirkon, das normalerweise in kontinentalen Gesteinen vorkommt, wird bei der Erosion nicht aufgelöst, sondern in Form von Partikeln in Sedimenten abgelagert. Einige wenige Zirkonstücke können daher Milliarden von Jahren überdauern und als Zeugen der älteren Erdkruste dienen. Die Suche nach alten Zirkonen begann in Paris mit den Arbeiten von Annie Vitrac und Jol R. Lancelot, später an der Universität Marseille bzw. jetzt an der Universität Nmes, sowie mit den Bemühungen von Moorbath und Allgre. Eine Gruppe an der Australian National University in Canberra unter der Leitung von William Compston war schließlich erfolgreich. Das Team entdeckte in Westaustralien Zirkone, die zwischen 4,1 und 4,3 Milliarden Jahre alt sind.
Zirkone sind nicht nur für das Verständnis des Alters der Kontinente von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Bestimmung des Zeitpunkts, zu dem das Leben erstmals auftrat. Die frühesten Fossilien, deren Alter unbestritten ist, wurden in Australien und Südafrika gefunden. Diese Überreste von Blaualgen sind etwa 3,5 Milliarden Jahre alt. Manfred Schidlowski vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz hat die Isua-Formation in Westgrönland untersucht und behauptet, dass organische Materie bereits vor 3,8 Milliarden Jahren existierte. Da der größte Teil der Aufzeichnungen über frühes Leben durch geologische Aktivitäten zerstört wurde, können wir nicht genau sagen, wann es zum ersten Mal auftrat – vielleicht entstand es sehr schnell, vielleicht sogar vor 4,2 Milliarden Jahren.
Geschichten aus Gasen
EINER DER WICHTIGSTEN Aspekte der Entwicklung unseres Planeten ist die Bildung der Atmosphäre, denn es ist diese Ansammlung von Gasen, die es dem Leben ermöglichte, aus den Ozeanen zu kriechen und sich zu erhalten. Seit den 1950er Jahren stellen Forscher die Hypothese auf, dass die Erdatmosphäre durch Gase entstanden ist, die aus dem Inneren des Planeten aufsteigen. Wenn ein Vulkan Gase ausspuckt, ist dies ein Beispiel für das so genannte kontinuierliche Ausgasen der Erde. Die Wissenschaftler haben sich jedoch gefragt, ob dieser Prozess plötzlich stattfand – vor etwa 4,4 Milliarden Jahren, als sich der Erdkern differenzierte – oder ob er im Laufe der Zeit allmählich ablief.
Um diese Frage zu beantworten, untersuchten Allègre und seine Kollegen die Isotope von Edelgasen. Diese Gase – darunter Helium, Argon und Xenon – haben die Besonderheit, chemisch inert zu sein, das heißt, sie reagieren in der Natur nicht mit anderen Elementen. Zwei dieser Gase sind für die Atmosphärenforschung besonders wichtig: Argon und Xenon. Argon hat drei Isotope, von denen Argon 40 durch den Zerfall von Kalium 40 entsteht. Xenon hat neun Isotope, von denen Xenon 129 zwei verschiedene Ursprünge hat. Xenon 129 entstand als Ergebnis der Nukleosynthese, bevor die Erde und das Sonnensystem entstanden sind. Es entstand auch durch den Zerfall von radioaktivem Jod 129, das auf der Erde nicht mehr existiert. Diese Form des Jods war schon sehr früh vorhanden, ist aber inzwischen ausgestorben, und Xenon 129 hat sich auf seine Kosten entwickelt.
Wie die meisten Paare haben sowohl Argon 40 und Kalium 40 als auch Xenon 129 und Jod 129 eine Geschichte zu erzählen. Sie sind hervorragende Chronometer. Obwohl die Atmosphäre durch die Ausgasung des Erdmantels entstanden ist, enthält sie kein Kalium 40 oder Jod 129. Das gesamte Argon 40 und Xenon 129, die in der Erde gebildet und freigesetzt wurden, befinden sich heute in der Atmosphäre. Xenon wurde aus dem Erdmantel ausgestoßen und in der Atmosphäre zurückgehalten; daher lässt sich anhand des Verhältnisses von Atmosphäre und Erdmantel das Alter der Differenzierung bestimmen. Argon und Xenon, die im Mantel eingeschlossen waren, entstanden durch den radioaktiven Zerfall von Kalium 40 und Jod 129. Wenn also die totale Ausgasung des Mantels zu Beginn der Erdentstehung stattfand, würde die Atmosphäre kein Argon 40, aber Xenon 129 enthalten.
Die größte Herausforderung für einen Forscher, der solche Zerfallsverhältnisse messen will, besteht darin, hohe Konzentrationen seltener Gase im Mantelgestein zu erhalten, da diese extrem begrenzt sind. Glücklicherweise gibt es an den mittelozeanischen Rücken ein natürliches Phänomen, bei dem vulkanische Lava einige Silikate aus dem Mantel an die Oberfläche befördert. Die geringen Mengen an Gasen, die in den Mantelmineralen eingeschlossen sind, steigen mit der Schmelze an die Oberfläche und konzentrieren sich in kleinen Bläschen am äußeren glasigen Rand der Lava-Ovale. Durch diesen Prozess wird die Menge der Mantelgase um den Faktor 104 oder 105 konzentriert. Wenn man diese Gesteine durch Ausbaggern des Meeresbodens sammelt und sie dann unter Vakuum in einem empfindlichen Massenspektrometer zerkleinert, können die Geochemiker das Verhältnis der Isotope im Mantel bestimmen. Die Ergebnisse sind recht überraschend. Berechnungen der Verhältnisse deuten darauf hin, dass zwischen 80 und 85 Prozent der Atmosphäre während der ersten Million Jahre auf der Erde ausgegast wurden; der Rest wurde langsam, aber stetig während der nächsten 4,4 Milliarden Jahre freigesetzt.
Die Zusammensetzung dieser primitiven Atmosphäre wurde mit Sicherheit von Kohlendioxid dominiert, wobei Stickstoff das zweithäufigste Gas war. Spuren von Methan, Ammoniak, Schwefeldioxid und Salzsäure waren ebenfalls vorhanden, aber es gab keinen Sauerstoff. Abgesehen vom reichlichen Vorhandensein von Wasser ähnelte die Atmosphäre derjenigen der Venus oder des Mars. Die Einzelheiten der Entwicklung der ursprünglichen Atmosphäre sind umstritten, vor allem, weil wir nicht wissen, wie stark die Sonne zu dieser Zeit war. Einige Fakten sind jedoch unumstritten. Es ist offensichtlich, dass Kohlendioxid eine entscheidende Rolle spielte. Darüber hinaus glauben viele Wissenschaftler, dass die sich entwickelnde Atmosphäre ausreichende Mengen an Gasen wie Ammoniak und Methan enthielt, um organische Stoffe entstehen zu lassen.
Das Problem der Sonne bleibt jedoch ungelöst. Eine Hypothese besagt, dass die Sonne während des Archaischen Äons, das von vor etwa 4,5 Milliarden bis 2,5 Milliarden Jahren dauerte, nur 75 Prozent ihrer heutigen Leistung hatte. Diese Möglichkeit wirft ein Dilemma auf: Wie hätte das Leben in dem relativ kalten Klima, das mit einer schwachen Sonne einhergehen sollte, überleben können? Eine Lösung für das so genannte Paradoxon der schwachen frühen Sonne wurde 1970 von Carl Sagan und George Mullen von der Cornell University vorgeschlagen. Die beiden Wissenschaftler schlugen vor, dass Methan und Ammoniak, die die Infrarotstrahlung sehr gut einfangen können, in großer Menge vorhanden waren. Diese Gase könnten einen Super-Treibhauseffekt verursacht haben. Die Idee wurde mit der Begründung kritisiert, dass diese Gase sehr reaktiv sind und eine kurze Lebensdauer in der Atmosphäre haben.
Was kontrollierte co?
Ende der 1970er Jahre schlugen Veerabhadran Ramanathan, jetzt an der Scripps Institution of Oceanography, sowie Robert D. Cess und Tobias Owen von der Stony Brook University eine andere Lösung vor. Sie postulierten, dass in der frühen Atmosphäre kein Bedarf an Methan bestand, weil Kohlendioxid in ausreichender Menge vorhanden war, um den Super-Treibhauseffekt zu bewirken. Auch dieses Argument warf eine andere Frage auf: Wie viel Kohlendioxid befand sich in der frühen Atmosphäre? Das irdische Kohlendioxid ist heute in Karbonatgesteinen wie Kalkstein vergraben, obwohl nicht klar ist, wann es dort eingeschlossen wurde. Heute entsteht Kalziumkarbonat vor allem durch biologische Aktivitäten; im Archaikum wurde der Kohlenstoff möglicherweise vor allem durch anorganische Reaktionen entfernt.
Die rasche Ausgasung des Planeten setzte große Mengen Wasser aus dem Erdmantel frei, wodurch die Ozeane und der Wasserkreislauf entstanden. Die Säuren, die wahrscheinlich in der Atmosphäre vorhanden waren, erodierten das Gestein und bildeten karbonatreiche Gesteine. Die relative Bedeutung eines solchen Mechanismus ist jedoch umstritten. Heinrich D. Holland von der Harvard University glaubt, dass der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre während des Archaikums schnell abnahm und auf einem niedrigen Niveau blieb.
Die Kenntnis des Kohlendioxidgehalts der frühen Atmosphäre ist entscheidend für das Verständnis der Klimakontrolle. Es gibt zwei gegensätzliche Vorstellungen darüber, wie dieser Prozess abläuft. Die eine Gruppe geht davon aus, dass die globalen Temperaturen und der Kohlendioxidgehalt durch anorganische geochemische Rückkopplungen gesteuert wurden; die andere behauptet, dass sie durch biologischen Abbau gesteuert wurden.
James C. G. Walker, James F. Kasting und Paul B. Hays, damals an der Universität von Michigan in Ann Arbor, schlugen 1981 das anorganische Modell vor. Sie gingen davon aus, dass die Gaskonzentration zu Beginn des Archaikums hoch war und nicht rapide abnahm. Das Trio schlug vor, dass mit der Erwärmung des Klimas mehr Wasser verdunstete und der Wasserkreislauf sich verstärkte, was zu mehr Niederschlägen und Abfluss führte. Das Kohlendioxid in der Atmosphäre vermischte sich mit dem Regenwasser und erzeugte Kohlensäure, die die Mineralien an der Oberfläche der Verwitterung aussetzte. Die Silikatminerale verbanden sich mit dem Kohlenstoff, der sich in der Atmosphäre befunden hatte, und banden ihn in den Sedimentgesteinen. Weniger Kohlendioxid in der Atmosphäre bedeutete wiederum einen geringeren Treibhauseffekt. Der anorganische negative Rückkopplungsprozess glich den Anstieg der Sonnenenergie aus.
Diese Lösung steht im Gegensatz zu einem zweiten Paradigma: dem biologischen Abbau. Eine von James E. Lovelock, einem Begründer der Gaia-Hypothese, vertretene Theorie ging davon aus, dass photosynthetisierende Mikroorganismen wie das Phytoplankton in einer kohlendioxidreichen Umgebung sehr produktiv wären. Diese Lebewesen entzogen der Luft und den Ozeanen langsam Kohlendioxid und wandelten es in Kalziumkarbonat-Sedimente um. Kritiker entgegneten, dass sich das Phytoplankton während des größten Teils der Zeit, in der es auf der Erde Leben gab, gar nicht entwickelt hatte. (Die Gaia-Hypothese besagt, dass das Leben auf der Erde die Fähigkeit hat, die Temperatur und die Zusammensetzung der Erdoberfläche zu regulieren und sie für lebende Organismen angenehm zu halten.)
Anfang der 1990er Jahre schlugen Tyler Volk von der New York University und David W. Schwartzman von der Howard University eine andere Gaia-Lösung vor. Sie stellten fest, dass Bakterien den Kohlendioxidgehalt im Boden erhöhen, indem sie organisches Material abbauen und Huminsäuren erzeugen. Beide Aktivitäten beschleunigen die Verwitterung, wodurch der Atmosphäre Kohlendioxid entzogen wird. An diesem Punkt wird die Kontroverse jedoch akut. Einige Geochemiker, darunter Kasting, jetzt an der Pennsylvania State University, und Holland, postulieren, dass das Leben zwar für einen Teil des Kohlendioxidabbaus nach dem Archaikum verantwortlich sein könnte, dass aber anorganische geochemische Prozesse den größten Teil der Bindung erklären können. Diese Forscher betrachten das Leben als einen eher schwachen klimastabilisierenden Mechanismus für den größten Teil der geologischen Zeit.
Sauerstoff aus Algen
Die Frage des Kohlenstoffs bleibt entscheidend dafür, wie das Leben die Atmosphäre beeinflusst hat. Das Vergraben von Kohlenstoff ist ein Schlüssel zum lebenswichtigen Prozess des Aufbaus atmosphärischer Sauerstoffkonzentrationen – eine Voraussetzung für die Entwicklung bestimmter Lebensformen. Außerdem findet die globale Erwärmung jetzt statt, weil der Mensch diesen Kohlenstoff freisetzt. Eine Milliarde oder zwei Milliarden Jahre lang produzierten Algen in den Ozeanen Sauerstoff. Da dieses Gas jedoch sehr reaktionsfreudig ist und es in den alten Ozeanen viele reduzierte Mineralien gab – Eisen zum Beispiel lässt sich leicht oxidieren – wurde ein Großteil des von den Lebewesen produzierten Sauerstoffs einfach verbraucht, bevor er in die Atmosphäre gelangen konnte, wo er auf Gase gestoßen wäre, die mit ihm reagiert hätten.
Selbst wenn in dieser anaeroben Ära durch evolutionäre Prozesse kompliziertere Lebensformen entstanden wären, hätten sie keinen Sauerstoff gehabt. Außerdem hätte das ungeschützte ultraviolette Sonnenlicht sie wahrscheinlich getötet, wenn sie den Ozean verlassen hätten. Forscher wie Walker und Preston Cloud, damals an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, vermuten, dass sich erst vor etwa zwei Milliarden Jahren, nachdem die meisten reduzierten Mineralien im Meer oxidiert worden waren, atmosphärischer Sauerstoff gebildet hat. Zwischen einer und zwei Milliarden Jahren erreichte der Sauerstoff das heutige Niveau und schuf eine Nische für die Entwicklung von Leben.
Durch die Untersuchung der Stabilität bestimmter Mineralien, wie Eisenoxid oder Uranoxid, hat Holland gezeigt, dass der Sauerstoffgehalt der archaischen Atmosphäre vor zwei Milliarden Jahren niedrig war. Es besteht weitgehend Einigkeit darüber, dass der heutige Sauerstoffgehalt von 20 Prozent das Ergebnis photosynthetischer Aktivität ist. Es stellt sich jedoch die Frage, ob der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre im Laufe der Zeit allmählich oder plötzlich anstieg. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass die Zunahme des Sauerstoffs vor 2,1 bis 2,03 Milliarden Jahren abrupt einsetzte und dass die heutige Situation vor 1,5 Milliarden Jahren erreicht wurde.
Das Vorhandensein von Sauerstoff in der Atmosphäre hatte noch einen weiteren großen Vorteil für einen Organismus, der versuchte, an oder über der Oberfläche zu leben: Er schützte vor ultravioletter Strahlung. Ultraviolette Strahlung spaltet viele Moleküle auf – von der DNA über Sauerstoff bis hin zu den Chlorkohlenwasserstoffen, die für den Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre verantwortlich sind. Diese Energie spaltet Sauerstoff in die höchst instabile Atomform O auf, die sich wieder zu O2 und zu dem sehr speziellen Molekül O3, dem Ozon, verbinden kann. Ozon wiederum absorbiert die ultraviolette Strahlung. Erst als genügend Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden war, um die Bildung von Ozon zu ermöglichen, hatte das Leben überhaupt eine Chance, an Land Fuß zu fassen. Es ist kein Zufall, dass die rasante Entwicklung des Lebens von den Prokaryoten (Einzellern ohne Zellkern) über die Eukaryoten (Einzeller mit Zellkern) bis hin zu den Metazoen (Vielzeller) in die milliardenlange Ära von Sauerstoff und Ozon fiel.
Obwohl die Atmosphäre in dieser Zeit einen recht stabilen Sauerstoffgehalt erreichte, war das Klima kaum einheitlich. Es gab lange Phasen relativer Wärme oder Kühle während des Übergangs zur modernen geologischen Zeit. Die Zusammensetzung fossiler Planktonschalen, die in der Nähe des Meeresbodens lebten, gibt Aufschluss über die Temperatur des Bodenwassers. Die Aufzeichnungen lassen darauf schließen, dass sich das Bodenwasser in den letzten 100 Millionen Jahren um fast 15 Grad Celsius abgekühlt hat. Der Meeresspiegel sank um Hunderte von Metern, und die Kontinente drifteten auseinander. Die Binnenmeere verschwanden größtenteils, und das Klima kühlte sich im Durchschnitt um 10 bis 15 Grad Celsius ab. Vor etwa 20 Millionen Jahren scheint sich auf der Antarktis dauerhaftes Eis gebildet zu haben.
Vor etwa zwei bis drei Millionen Jahren beginnt die paläoklimatische Aufzeichnung, deutliche Ausdehnungen und Kontraktionen von Warm- und Kaltzeiten in Zyklen von etwa 40.000 Jahren zu zeigen. Diese Periodizität ist interessant, weil sie der Zeit entspricht, die die Erde braucht, um eine Schwingung der Neigung ihrer Rotationsachse zu vollenden. Seit langem wird spekuliert und kürzlich berechnet, dass die bekannten Veränderungen in der Orbitalgeometrie die Menge des Sonnenlichts, die zwischen Winter und Sommer einfällt, um etwa 10 Prozent verändern und für den Beginn oder das Ende von Eiszeiten verantwortlich sein könnte.
Die warme Hand des Menschen
Am interessantesten und verblüffendsten ist die Entdeckung, dass der vorherrschende Zyklus vor 600.000 bis 800.000 Jahren von 40.000-jährigen Perioden zu 100.000-jährigen Intervallen mit sehr großen Schwankungen überging. Die letzte große Phase der Vergletscherung endete vor etwa 10.000 Jahren. Auf ihrem Höhepunkt vor 20.000 Jahren bedeckten Eisschichten von etwa zwei Kilometern Dicke große Teile Nordeuropas und Nordamerikas. Überall auf der Welt breiteten sich Gletscher in Hochebenen und Gebirgen aus. Es wurde so viel Eis an Land eingeschlossen, dass der Meeresspiegel um mehr als 100 Meter unter den heutigen Stand sank. Massive Eisschilde unterspülten das Land und veränderten das ökologische Gesicht der Erde, die im Durchschnitt um mehrere Grad Celsius kühler war als heute.
Die genauen Ursachen für die längeren Intervalle zwischen Warm- und Kaltzeiten sind noch nicht geklärt. Vulkanausbrüche könnten eine bedeutende Rolle gespielt haben, wie die Auswirkungen des El Chichón in Mexiko und des Mount Pinatubo auf den Philippinen zeigen. Tektonische Ereignisse, wie die Entstehung des Himalaya, könnten das Weltklima beeinflusst haben. Auch der Einschlag von Kometen kann kurzfristige Klimatrends mit katastrophalen Folgen für das Leben beeinflussen. Es ist bemerkenswert, dass das Klima trotz heftiger, episodischer Störungen ausreichend gepuffert war, um das Leben 3,5 Milliarden Jahre lang zu erhalten.
Eine der wichtigsten klimatischen Entdeckungen der letzten 30 Jahre stammt aus Eisbohrkernen in Grönland und der Antarktis. Wenn auf diesen gefrorenen Kontinenten Schnee fällt, wird die Luft zwischen den Schneekörnern als Blasen eingeschlossen. Der Schnee wird allmählich zu Eis komprimiert, zusammen mit den darin eingeschlossenen Gasen. Einige dieser Aufzeichnungen reichen mehr als 500.000 Jahre zurück; Wissenschaftler können den chemischen Inhalt von Eis und Blasen aus Eisabschnitten analysieren, die bis zu 3.600 Meter tief unter der Oberfläche liegen.
Die Eiskernbohrer haben festgestellt, dass die Luft, die von den alten Ägyptern und Anasazi-Indianern geatmet wurde, der Luft, die wir heute einatmen, sehr ähnlich war – mit Ausnahme einer Vielzahl von Luftschadstoffen, die in den letzten 100 oder 200 Jahren eingeführt wurden. Zu diesen zusätzlichen Gasen oder Schadstoffen gehören vor allem zusätzliches Kohlendioxid und Methan. Seit etwa 1860 – dem Beginn der industriellen Revolution – ist der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre infolge der Industrialisierung und der Abholzung der Wälder um mehr als 30 Prozent gestiegen; der Methangehalt hat sich aufgrund von Landwirtschaft, Landnutzung und Energieerzeugung mehr als verdoppelt. Die Fähigkeit dieser Gase, Wärme zu speichern, ist der Grund für die Besorgnis über den Klimawandel im 21. Jahrhundert.
Die Eisbohrkerne haben gezeigt, dass die anhaltenden natürlichen Raten der weltweiten Temperaturveränderungen typischerweise etwa ein Grad C pro Jahrtausend betragen. Diese Verschiebungen sind immer noch signifikant genug, um den Lebensraum von Arten radikal zu verändern und möglicherweise zum Aussterben so charismatischer Megafauna wie Mammuts und Säbelzahntigern beizutragen. Die außergewöhnlichste Aussage der Eisbohrkerne ist jedoch nicht die relative Stabilität des Klimas in den letzten 10 000 Jahren. Es scheint, dass auf dem Höhepunkt der letzten Eiszeit vor 20.000 Jahren 50 Prozent weniger Kohlendioxid und weniger als halb so viel Methan in der Luft waren als in unserer Epoche, dem Holozän. Diese Erkenntnis deutet auf eine positive Rückkopplung zwischen Kohlendioxid, Methan und Klimaveränderungen hin.
Die Argumentation, die die Idee dieses destabilisierenden Rückkopplungssystems stützt, lautet wie folgt. Als die Welt noch kälter war, gab es eine geringere Konzentration von Treibhausgasen, und so wurde weniger Wärme gespeichert. Als sich die Erde erwärmte, stiegen die Kohlendioxid- und Methanwerte, was die Erwärmung beschleunigte. Wenn das Leben in dieser Geschichte eine Rolle gespielt hat, dann eher, um den Klimawandel voranzutreiben, als um ihm entgegenzuwirken. Es wird immer wahrscheinlicher, dass der Mensch, als er Teil dieses Kreislaufs wurde, ebenfalls dazu beitrug, die Erwärmung zu beschleunigen. Diese Erwärmung ist seit Mitte der 1800er Jahre aufgrund der Treibhausgasemissionen durch Industrialisierung, Landnutzungsänderungen und andere Phänomene besonders ausgeprägt. Aber auch hier bleiben Unsicherheiten.
Dennoch sind sich die meisten Wissenschaftler einig, dass das Leben der Hauptfaktor für die positive Rückkopplung zwischen Klimaveränderung und Treibhausgasen sein könnte. Am Ende des 20. Jahrhunderts kam es zu einem raschen Anstieg der durchschnittlichen globalen Oberflächentemperatur. Tatsächlich war der Zeitraum ab den 1980er Jahren der wärmste der letzten 2.000 Jahre. Neunzehn der 20 wärmsten aufgezeichneten Jahre sind seit 1980 zu verzeichnen, und die 12 wärmsten sind alle seit 1990 aufgetreten. Das wärmste Jahr aller Zeiten war 1998, an zweiter und dritter Stelle lagen 2002 und 2003. Es gibt gute Gründe für die Annahme, dass das Jahrzehnt der 1990er Jahre noch heißer gewesen wäre, wenn der Mount Pinatubo nicht ausgebrochen wäre: Dieser Vulkan brachte genug Staub in die hohe Atmosphäre, um einen Teil des einfallenden Sonnenlichts zu blockieren, was zu einer globalen Abkühlung von einigen Zehntelgrad für mehrere Jahre führte.
Kann die Erwärmung der letzten 140 Jahre natürlich entstanden sein? Mit immer größerer Sicherheit lautet die Antwort nein.
Der Kasten rechts zeigt eine bemerkenswerte Studie, die versucht, die Temperaturaufzeichnungen der nördlichen Hemisphäre um volle 1.000 Jahre zu verschieben. Der Klimatologe Michael Mann von der University of Virginia und seine Kollegen führten eine komplexe statistische Analyse durch, bei der etwa 112 verschiedene Faktoren berücksichtigt wurden, die mit der Temperatur zusammenhängen, darunter Baumringe, die Ausdehnung von Gebirgsgletschern, Veränderungen von Korallenriffen, Sonnenfleckenaktivität und Vulkanismus.
Das Ergebnis ist eine Rekonstruktion der Temperatur, die sich ergeben hätte, wenn thermometergestützte Messungen verfügbar gewesen wären. (Für die Jahre nach 1860 wurden tatsächliche Temperaturmessungen verwendet.) Wie der Vertrauensbereich zeigt, besteht in jedem Jahr dieser 1000-jährigen Temperaturrekonstruktion eine erhebliche Unsicherheit. Der Gesamttrend ist jedoch eindeutig: ein allmählicher Temperaturrückgang in den ersten 900 Jahren, gefolgt von einem starken Temperaturanstieg im 20. Diese Grafik legt nahe, dass das Jahrzehnt der 1990er Jahre nicht nur das wärmste des Jahrhunderts, sondern des gesamten vergangenen Jahrtausends war.
Bei der Untersuchung des Übergangs von der kohlendioxid- und sauerstoffarmen Atmosphäre des Archaikums zur Ära großer evolutionärer Fortschritte vor etwa einer halben Milliarde Jahren wird deutlich, dass das Leben ein Faktor bei der Stabilisierung des Klimas gewesen sein könnte. In einem anderen Beispiel – während der Eiszeiten und Zwischeneiszeiten – scheint das Leben die gegenteilige Funktion zu haben: es beschleunigt den Wandel, anstatt ihn abzuschwächen. Diese Beobachtung hat einen von uns (Schneider) zu der Behauptung veranlasst, dass sich das Klima und das Leben gemeinsam entwickelt haben, anstatt dass das Leben nur als negative Rückkopplung auf das Klima dient.
Wenn wir Menschen uns als Teil des Lebens betrachten – das heißt, als Teil des natürlichen Systems -, dann könnte man argumentieren, dass unser kollektiver Einfluss auf die Erde bedeutet, dass wir eine bedeutende koevolutionäre Rolle für die Zukunft des Planeten spielen. Die derzeitigen Trends des Bevölkerungswachstums, die Forderungen nach einem höheren Lebensstandard und der Einsatz von Technologien und Organisationen zur Erreichung dieser wachstumsorientierten Ziele tragen alle zur Umweltverschmutzung bei. Wenn der Preis für die Verschmutzung niedrig ist und die Atmosphäre als kostenloser Abwasserkanal genutzt wird, können sich Kohlendioxid, Methan, Chlorkohlenwasserstoffe, Stickoxide, Schwefeloxide und andere Giftstoffe ansammeln.
Drastische Veränderungen stehen bevor
IN IHREM BERICHT über den Klimawandel 2001 schätzten die Klimaexperten des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen, dass sich die Welt bis zum Jahr 2100 zwischen 1,4 und 5,8 Grad Celsius erwärmen wird. Das milde Ende dieser Spanne – eine Erwärmungsrate von 1,4 Grad C pro 100 Jahre – ist immer noch 14-mal schneller als das eine Grad C pro 1.000 Jahre, das in der Vergangenheit die durchschnittliche Rate der natürlichen Veränderungen auf globaler Ebene war. Sollte das obere Ende der Spanne erreicht werden, könnten die klimatischen Veränderungen fast 60-mal schneller verlaufen als die natürlichen Durchschnittsbedingungen, was zu Veränderungen führen könnte, die viele als gefährlich ansehen würden. Ein derartiger Wandel würde mit ziemlicher Sicherheit viele Arten dazu zwingen, ihr Verbreitungsgebiet zu verlagern, so wie sie es während des Übergangs von der Eiszeit zur Zwischeneiszeit vor 10.000 bis 15.000 Jahren getan haben. Die Arten müssten nicht nur 14- bis 60-mal schneller auf den Klimawandel reagieren, sondern nur wenige hätten ungestörte, offene Wanderrouten, wie sie am Ende der Eiszeit und zu Beginn der Zwischeneiszeit bestanden. Die negativen Auswirkungen dieser erheblichen Erwärmung – auf die Gesundheit, die Landwirtschaft, die Küstengeografie und das Kulturerbe, um nur einige zu nennen – könnten ebenfalls schwerwiegend sein.
Um die kritischen Vorhersagen über künftige klimatische Veränderungen machen zu können, die notwendig sind, um das Schicksal der Ökosysteme auf der Erde zu verstehen, müssen wir uns durch Land, Meer und Eis wühlen, um so viel wie möglich aus geologischen, paläoklimatischen und paläoökologischen Aufzeichnungen zu lernen. Diese Aufzeichnungen bilden den Hintergrund, vor dem wir die groben Instrumente kalibrieren können, mit denen wir in eine düstere ökologische Zukunft blicken müssen, eine Zukunft, die zunehmend von uns beeinflusst wird.
DIE AUTOREN
CLAUDE J. ALLGRE und STEPHEN H. SCHNEIDER untersuchen verschiedene Aspekte der geologischen Geschichte der Erde und ihres Klimas. Allgre ist Professor an der Universität Paris und leitet die Abteilung für Geochemie am Geophysikalischen Institut in Paris. Er ist ein ausländisches Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Schneider ist Professor für Biowissenschaften an der Stanford University und Co-Direktor des Center for Environmental Science and Policy. Er wurde 1992 mit einem MacArthur Prize Fellowship ausgezeichnet und 2002 in die National Academy of Sciences gewählt.