Studie: Zutaten des irdischen Lebens stammen vermutlich von einem anderen Planeten

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Kollision zweier Protoplaneten.

Künstlerische Darstellung der Kollision zweier Protoplaneten (Illu.).
Copyright: NASA/JPL-Caltech

Houston (USA) – Die meisten lebenswichtigen Elemente der Erde – einschließlich des größten Teils des Kohlenstoffs und des Stickstoffs – stammten wahrscheinlich von einem anderen Planeten. Zur Erde gelangten sie wahrscheinlich erst durch den Zusammenstoß der noch jungen erde mit dem etwa marsgroßen Protoplaneten Theia, durch den vor rund 4,4 Milliarden Jahren auch unser Erdenmond entstand. Zu diesem Schluss kommen US-Geologen anhand neuster Simulationen.

Wie das Team um Damanveer Grewal und Rajdeep Dasgupta von der Rice University aktuell im Fachjournal „Science Advances“ (DOI: 10.1126/sciadv.aau3669) berichtet, ist durch die Untersuchung primitiver Meteorite schon länger bekannt, dass die Erde und die anderen Felsplaneten des inneren Sonnensystems, ursprünglich vergleichsweise arm an flüchtigen Stoffen waren. Der Zeitunkt und die Art und Weise, wann und wie also diese Stoffe auf die Erde gelangt sind, wird bis heute heftig diskutiert. „In unserer Studie können wir nun erstmals den Zeitpunkt und den Liefermechanismus so erklären, dass das Ergebnis mit allen geochemischen Beweisen und bekannten Fakten auch tatsächlich übereinstimmt“, zeigen sich die Wissenschaftler von ihren Ergebnissen überzeugt.

Zu ihrer Schlussfolgerung gelangten die Forscher mit Hilfe einer Kombination von Hochtemperatur-Hochdruckexperimenten in einem Labor, das sich auf die Untersuchung geochemischer Reaktionen spezialisiert hat, wie sie tief im Innern eines Planeten unter intensiver Hitze und Druck stattfinden.

In seinen Experimenten wollte das Team die seit langem bestehende Theorie testen, wonach die besagten flüchtigen Bestandteile der Erde aus einer Kollision mit einem embryonalen Planeten stammen, der einen schwefelreichen Kern besaß: „Der Schwefelgehalt im Kern des Spenderplaneten ist deshalb von Bedeutung, da es eine Reihe von experimentellen Nachweisen über Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel gibt, die in allen Teilen der Erde außer im Kern existieren“, erläutern Grewal und Kollegen und führen dazu weiter aus: “Der Kern interagiert nicht mit dem Rest der Erde. Aber alles darüber, der Mantel, die Kruste, die Hydrosphäre und die Atmosphäre sind miteinander durch regelrechte Materialkreisläufe verbunden.”

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Eine langjährige Idee darüber, wie die Erde ihre flüchtigen Bestandteile erhielt, war die Theorie der “späten Schicht” (late verneer), wonach Meteoriten mit vielen flüchtigen Bestandteilen, also übrig gebliebene Stücke von Urmaterie aus dem äußeren Sonnensystem, nach der Bildung des Erdkerns auf die Erde gelangten. Während nun aber die isotopischen Signaturen der flüchtigen Elemente der Erde mit diesen ursprünglichen Objekten, den sogenannten Kohlenstoff-Chondriten, übereinstimmen, deckt sich das Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff damit nicht. „Das Nichtkernmaterial der Erde, das Geologen „bulk silicate Earth“ (BSE) nennen und die geochemische Zusammenfassung aller Gesteine ohne den Erdkern, hat etwa 40 Teile Kohlenstoff pro Teil Stickstoff und damit etwa das doppelte Verhältnis von 20:1 wie in kohlenstoffhaltigen Chondriten.

In den aktuellen Experimenten, bei denen die hohen Drücke und Temperaturen während der Kernbildung simuliert wurden, untersuchten Grewal und Team die Idee, dass ein schwefelreicher Planetenkern Kohlenstoff oder Stickstoff oder beides ausschließen könnte, wodurch im BSE im Vergleich zur Erde viel größere Anteile dieser Elemente verbleiben. In einer Reihe von Tests bei verschiedenen Temperaturen und Druckwerten untersuchte die Forscher dazu in drei Szenarien, wie viel Kohlenstoff und Stickstoff in den Kern gelangt wären: a) kein Schwefel, b) 10 Prozent Schwefel und c) 25 Prozent Schwefel.

Das Forscherteam der Rice University.

Das Wissenschaftler-Team der Rice Univesity (v.l.n.r.): Gelu Costin, Chenguang Sun, Damanveer Grewal, Rajdeep Dasgupta und Kyusei Tsuno.
Copyright: Jeff Fitlow/Rice University

Das Ergebnis: “Stickstoff blieb weitgehend unberührt”, berichten die Wissenschaftler. “Er blieb in den Legierungen relativ zu Silikaten löslich und wurde erst unter der höchsten Schwefelkonzentration aus dem Kern entfernt. Im Gegensatz dazu war Kohlenstoff in Legierungen mit mittleren Schwefelkonzentrationen erheblich weniger löslich, und schwefelhaltige Legierungen nahmen etwa zehnmal weniger Kohlenstoff auf als schwefelfreie Legierungen.“

Basierend auf diesen Informationen und den bekannten Verhältnissen und Konzentrationen von Elementen sowohl auf der Erde als auch in nicht-terrestrischen Körpern, entwarf das Forscherteam dann eine Computersimulation, um das wahrscheinlichste Szenario zu ermitteln, in dem die flüchtigen Bestandteile der Erde erzeugt wurden. Um die gesuchte Antwort zu finden, wurden die Startbedingungen variiert, etwa 1 Milliarde Szenarien durchgeführt und mit den bekannten Bedingungen im Sonnensystem verglichen.

“Wir fanden heraus, dass alle Faktoren – isotopische Signaturen, das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis und die Gesamtmenge an Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel in der BSE – im Einklang mit einer Kollision der jungen Erde mit einem an flüchtigen Stoffen reichen, etwa marsgroßen Trägerplaneten mit einem schwefelreichen Kern steht“ so Grewal.

“Unsere Studie legt nahe, dass ein felsiger, erdähnlicher Planet mehr Chancen hat, lebenswichtige Elemente zu erlangen, wenn er sich aus gigantischen Einschlägen mit Planeten zusammensetzt, die verschiedene Bausteine ​​aus verschiedenen Teilen einer protoplanetaren Scheibe bestehen”, erläutert Dasgupta das Ergebnis. “Es zeigt, dass lebenswichtige flüchtige Stoffe in die Oberflächenschichten eines Planeten gelangen können, selbst wenn sie auf Planetenkörpern entstanden, die unter sehr unterschiedlichen Bedingungen eine Kernbildung durchgemacht haben.”

Zudem zeige sich, dass das BSE allein nicht die lebenswichtigen flüchtigen Anteile hätte liefern können, die unsere Biosphäre, Atmosphäre und Hydrosphäre erzeugten. “Das wiederum bedeutet, dass wir unsere Suche nach Wegen erweitern können, die dazu führen, dass flüchtige Elemente auf einem Planeten zusammenkommen, um hier dann Leben in Gang zu bringen, wie wir es kennen.”

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