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Wann war die Chemie der frühen Erde bereit für Leben?
Wann die ersten RNA-basierten Lebensformen entstanden sein könnten, war bislang nur grob einzugrenzen. Ein neues Modell der frühen Erde verortet besonders günstige Bedingungen vor rund 4,33 Milliarden Jahren. Damals ließ das extreme Bombardement nach, während oberflächennahe Hydrothermalsysteme zugleich stabile Nischen für empfindliche Biomoleküle geschaffen haben könnten.
Bayreuth (Deutschland). Über die Entstehung des Lebens auf der jungen Erde gibt es bis heute keine direkten Zeugnisse. Die ältesten erhaltenen Gesteine und Minerale liefern nur indirekte Hinweise, während molekulare Stammbäume den letzten universellen gemeinsamen Vorfahren allen heutigen Lebens, LUCA, in die Zeit vor rund 4,2 Milliarden Jahren verorten. Davor muss sich bereits eine längere Phase chemischer und biologischer Evolution abgespielt haben.
Eine mögliche Zwischenstufe ist die RNA-Welt, in der Ribonukleinsäure nach einer verbreiteten Hypothese eine zentrale Rolle spielte, bevor DNA und Proteine ihre heutigen Aufgaben übernahmen. RNA kann Erbinformation tragen und zugleich chemische Reaktionen katalysieren, doch bislang war offen, wann die Erde dauerhaft genug abgekühlt war, damit solche empfindlichen Moleküle in geeigneten Umgebungen bestehen konnten.
Für die neue Studie haben Dr. Oleg Abramov vom Planetary Science Institute (PSI) und seine Kollegen ein globales dreidimensionales Wärmemodell der Erdkruste im Hadaikum verwendet. Es bildet die thermische Entwicklung zwischen 4,5 und 3,5 Milliarden Jahren vor heute ab und berücksichtigt die späte Einschlagsphase, in der noch zahlreiche größere Himmelskörper auf die Erde trafen. Die Simulation beschreibt damit nicht die Entstehung von Leben selbst, sondern die zeitlichen Grenzen für oberflächennahe Umgebungen, in denen wichtige Biomoleküle stabil bleiben konnten.
Dazu kombinierten die Forscher die thermische Entwicklung der Kruste mit Modellen des damaligen Einschlagsgeschehens, die unter anderem am Kraterbestand des Mondes ausgerichtet wurden. Frühere Berechnungen der Gruppe wurden außerdem mit geologischen Hinweisen aus sehr alten Zirkonen abgeglichen, um die Entwicklung der hadaischen Kruste plausibel einzugrenzen. Entscheidend war, wie stark einzelne Einschläge die Oberfläche aufheizten und wie lange erhöhte Temperaturen in der Kruste anhielten.
Das Modell zeigt, dass wiederholte Einschläge bis ungefähr 4,4 Milliarden Jahre vor heute noch Bedingungen erzeugen konnten, die große Teile der Erdoberfläche thermisch sterilisierten. Heiße Auswurfmassen, kondensierender Gesteinsdampf und hohe geothermische Gradienten hielten die oberflächennahe Kruste vielerorts zu warm, als dass empfindliche RNA-Bausteine langfristig stabil geblieben wären.
Mit dem nachlassenden Bombardement änderte sich die Lage, denn nach etwa 4,4 Milliarden Jahren entstanden zunehmend miteinander verbundene Bereiche, in denen Biomoleküle thermisch stabil bleiben konnten. Gleichzeitig boten oberflächennahe Hydrothermalsysteme starke chemische und thermische Gradienten und damit Nischen, in denen sich Nukleotide und andere Bausteine anreichern und miteinander reagieren konnten.
Aus dieser Entwicklung ergibt sich ein besonders günstiges Zeitfenster zwischen etwa 4,4 und 4,3 Milliarden Jahren vor heute. Das Optimum liegt dem Modell zufolge bei rund 4,33 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt waren zerstörerische globale Aufheizungen bereits seltener geworden, während hydrothermale Energiequellen und räumlich begrenzte Temperaturunterschiede weiterhin reichlich vorhanden waren.
Der Zeitpunkt passt außerdem zu neueren Schätzungen für LUCA, dessen Population vor ungefähr 4,2 Milliarden Jahren existiert haben könnte. Zwischen dem modellierten Optimum für die RNA-Welt und diesem Schätzwert liegen grob 130 Millionen Jahre für weitere evolutionäre Schritte, wobei der Abstand wegen der Unsicherheit der LUCA-Datierung deutlich größer gewesen sein könnte.
Die Datierung von 4,33 Milliarden Jahren ist deshalb kein Nachweis dafür, dass damals