Lebewesen lassen Gesteinsadern wachsen

Spuren von Mikroorganismen, die vor Hunderten Millionen Jahren im Gestein gelebt haben

Die Landschaft im südaustralischen Oppaminda Creek nahe Arkaroola nördlich von Adelaide bietet ein karges Bild: Hügel aus rötlichem Stein, so weit das Auge reicht, nur wenige Pflanzen haben sich hier angesiedelt. In diesem Gebiet hat Prof. Paul Bons vom Institut für Geowissenschaften der Universität Tübingen die Entstehung des Gesteins untersucht. Besonders haben es dem Geologen die so genannten Adern angetan. Die entstehen, wenn das Gestein zerklüftet ist und Wasser in die Spalten eindringen kann. Aus dem Wasser können unter bestimmten Bedingungen Mineralien auskristallisieren, die über einen längeren Zeitraum die Spalten schließen, sie wachsen sozusagen zu. „Die Entstehung von solchen Adern im Gestein haben wir bisher als rein physikalische und chemische Prozesse betrachtet“, erklärt Paul Bons. Doch ausgerechnet dort, im Gestein aus mehreren Kilometern Tiefe, stieß der Wissenschaftler auf Spuren von früherem Leben: Strukturen, die sich als Fossilien einfacher Zellen herausstellten. Die Fossilien ähneln heute lebenden Archaeen, Einzellern, die häufig an extremen Standorten wie heißen Quellen, stark salzigen oder stark sauren Milieus zu finden sind. Paul Bons geht davon aus, dass die Mikroorganismen an der Bildung der Kalkspatadern beteiligt waren.

„Von meinem Untersuchungsgebiet in Südaustralien war schon länger bekannt, dass sich dort vor 820 Millionen Jahren bis etwa 500 Millionen Jahren vor heute eine Reihe von Sedimenten abgelagert hatten“, sagt Paul Bons. Sand und Schlamm wurden über rund 300 Millionen Jahre hinweg angeschwemmt. Die kluftartigen Spalten im Gestein waren mit Kalkspat zugewachsen. Bei der genaueren Untersuchung ist es dem halb australischen, halb niederländischen Forscher gelungen, zusammen mit der Mainzer Geochemikerin Dr. Marlina Elburg, das Alter der Adern genauer zu bestimmen: Sie sind ungefähr 585 Millionen Jahren vor heute entstanden. Dieser Zeitraum ließ sich hauptsächlich über das Verhältnis unterschiedlich schwerer Strontium-Isotope in den Gesteinsadern eingrenzen. „Darüber hinaus konnten wir feststellen, dass die Flüssigkeiten, die bei der Bildung der Adern beteiligt waren, teilweise aus dem umgebenden Tonstein stammten, teilweise aber auch von weiter her kamen“, sagt Paul Bons. Wenn Wasser langsam durch die Poren und Spalten des Gesteins sickert, werden dabei Stoffe aus dem Stein gelöst oder kristallisieren wieder aus. Am Oppaminda Creek sind durch Auskristallisieren von Kalkspat aus dem Wasser bis zu acht Zentimeter dicke Adern im Gestein gewachsen. „Die Adern haben sich in vier bis sechs Kilometern Tiefe gebildet. Was wir aber zunächst nicht erklären konnten, war die Frage, warum gerade dort Kalkspat auskristallisiert war“, sagt Bons.

Eine mögliche Erklärung fand sich, als der Forscher zusammen mit dem Tübinger Paläontologen Dr. Michael Montenari Proben der Adern angefertigt und mit einem hoch auflösenden Elektronenmikroskop bei 50 000-facher bis 100 000-facher Vergrößerung untersucht hat. Dafür nimmt man einen kleinen Klotz des Gesteins, der poliert und mit Salzsäure angeätzt wird. Der Kalkspat wird dabei weggelöst, unter dem Elektronenmikroskop zeigte sich nun eine faserige Struktur – und winzige Kugeln, die jeweils nur etwa einen tausendstel Millimeter klein waren. „Mehrere Befunde deuten darauf hin, dass es sich dabei um Fossilien von Einzellern handelt. Die Kugeln waren gleichmäßig groß und wir fanden Strukturen, Einschnürungen der Kugeln, die auch heute als Vorstadien bei der Teilung von Zellen zu sehen sind“, sagt Paul Bons. Teilweise sind die kleinen Kugeln durch Fäden miteinander verbunden. Die Strukturen ergeben insgesamt ein sehr ähnliches Bild wie manche der heute noch lebenden, modernen Archaeen.

Archaeen sind winzige Lebewesen, die früher als „Archaebakterien“ in die Gruppe der Bakterien gestellt wurden. Doch heute weiß man, dass die Einzeller sich von Bakterien deutlich unterscheiden und dichter an den Ursprung einer „Urzelle“ zu stellen sind, aus der sich auch die vielzelligen Organismen wie Pflanzen, Pilze und Tiere entwickelt haben. Die Archaeen werden häufig als sehr einfache, primitive Organismen beschrieben. Tatsächlich fehlt ihren Zellen die komplizierte Struktur der Pflanzen- und Tierzellen. Doch die Lebewesen sind ausgesprochen anpassungs- und widerstandsfähig. „Manche Archaeen können bei bis zu 113 Grad Celsius leben. Auch bei der Bildung der Kalkspatadern lagen die Temperaturen schätzungsweise bei 100 Grad. Denn je weiter man in die Tiefe der Erdkruste gelangt, desto wärmer ist es, ungefähr 15 bis 25 Grad kommen pro Kilometer hinzu“, erklärt Paul Bons. Die Kügelchen aus den Kalkspatadern ähneln der modernen Archaeen-Gattung Pyrodictium. Denn auch bei diesen Einzellern schließen sich die Individuen in einem Netzwerk von Fäden zusammen und tauschen untereinander Stoffe aus. Pyrodictium – das „Feuernetzwerk“ – wurde bei Tiefbohrungen aus Erdölfeldern und aus sehr heißen Quellen isoliert.

Um Gesteinsschnitte im Elektronenmikroskop untersuchen zu können, müssen die Proben bei den meisten Geräten mit Gold bedampft werden. Dabei können neue Strukturen entstehen, die ursprünglich nicht in der Probe zu sehen waren. „Bei der Untersuchung von Proben vom Mars war man zu voreilig mit der Goldbedampfung. Nun lässt sich nicht mehr feststellen, welche Strukturen erst bei der Bearbeitung entstanden sind“, sagt der Wissenschaftler. Er konnte dieses Problem bei seinen australischen Gesteinsproben ausschließen, indem er sie auch unter einem besonderen Rasterelektronenmikroskop untersucht hat, bei dem die Proben nicht mit Metall beschichtet werden müssen: Auch dort waren die Kügelchen, bei denen es sich wahrscheinlich um fossile Archaeen handelt, zu sehen.

„Ich gehe in einer neuen Hypothese davon aus, dass beim Wachstum dieser Art von Gesteinsadern, wie ich sie auch aus Oppaminda Creek untersucht habe, Mikroorganismen geholfen haben“, sagt Paul Bons. Denn die Kügelchen fanden sich mitten in den Adern und konnten nicht bei der Bearbeitung außen auf die Proben gelangt sein. Außerdem sei auch bekannt, dass weitere Einzeller, die Blaualgen, Ablagerungen von Kalkspat bewirken könnten. Die Algen können zum Beispiel in Wasserleitungen einen Biofilm bilden. Durch ihren Stoffwechsel verschiebt sich der Säurewert in der Umgebung in Richtung der Sättigung mit Kalkspat, er fällt als Ablagerung aus. Wahrscheinlich seien Mikroorganismen häufiger an der Bildung von Gesteinsadern beteiligt gewesen. „Wir haben den ersten Flecken im großen Nichts gefunden“, sagt Bons. Solche Lebewesen wie die Archaeen-ähnlichen Einzeller habe es vermutlich überall gegeben. „Interessant ist aber der Nachweis. Jetzt weiß man vielleicht auch besser, wo man nach Spuren früherer Lebewesen suchen muss“, sagt der Forscher. Es sei schließlich schwierig genug, große Fossilien wie etwa Fischsaurier zu finden, aber mit kleinen sei es noch viel schwieriger. (6874 Zeichen)

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Prof. Paul Bons
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