Bis in die frühen neunziger Jahre ahnte niemand, wie aktiv das Leben der Bewohner der Erdtiefen sein könnte. Wissenschaftler glauben nun, dass unterirdisch lebende Mikroben dazu beigetragen haben könnten, Kontinente zu formen, Sauerstoff freizusetzen und Leben zu geben, wie wir es kennen. Das Atlantic Magazine untersucht, wie die Untersuchung dieser Mikroorganismen auf unserem Planeten dazu beitragen kann, Leben im Weltraum wie den Mars zu entdecken.
Sie leben Tausende von Metern unter der Erdoberfläche. Sie ernähren sich von Wasserstoff und geben Methan ab. Und sie sind in der Lage, unsere Welt grundlegender zu verändern, als wir uns vorstellen können.
Alexis Templeton erinnert sich an den 12. Januar 2014 als den Tag, an dem das Wasser explodierte. Eine Pyrex-Glasflasche, die fest verschlossen und mit Wasser gefüllt war, explodierte wie ein Ballon.
Templeton fuhr mit ihrem Land Cruiser über die holprige und felsige Oberfläche des Wadi Lawayni-Tals, ein breiter Streifen, der durch die Berge des Oman führte. Sie parkte ihr Auto auf einer Betonplattform mit Blick auf die Stelle, an der kürzlich ein Wasserbrunnen gebohrt worden war. Templeton öffnete den Deckel dieses Brunnens und senkte die Flasche in ihre düsteren Tiefen, in der Hoffnung, Wasserproben aus einer Tiefe von etwa 260 Metern zu erhalten.
Das Wadi Lavaini-Tal ist von schokoladenbraunen Felsgipfeln umgeben. Diese Felsen sind hart wie Keramik, aber sie sind rund und hängen herab, eher wie alte Ziegel aus Schlamm. Dieses Fragment des Erdinneren von der Größe des Bundesstaates West Virginia wurde vor Millionen von Jahren durch die Kollision tektonischer Platten an die Oberfläche gedrückt. Diese exotischen Gesteine - sie stellen Anomalien auf der Erdoberfläche dar - ließen Templeton nach Oman kommen.
Kurz nachdem sie die Wasserflasche aus den Tiefen des Brunnens gehoben hatte, platzte sie unter innerem Druck auf. Wasser spritzte aus den Rissen und brutzelte wie Soda. Das Gas, das in ihr explodierte, war nicht wie in Erfrischungsgetränken Kohlendioxid, sondern Wasserstoff, ein brennbares Gas.
Templeton ist Geobiologin an der Universität von Colorado in Boulder, und dieses Gas ist für sie von besonderer Bedeutung. "Organismen lieben Wasserstoff", sagt sie. Das heißt, sie lieben es zu essen. Wasserstoff allein kann nicht als Lebensbeweis angesehen werden. Es deutet jedoch darauf hin, dass Felsen unter der Erdoberfläche genau dort sind, wo Leben gedeihen kann.
Templeton ist einer von immer mehr Wissenschaftlern, die glauben, dass die Tiefen der Erde mit Leben gefüllt sind. Nach einigen Schätzungen kann dieser unerforschte Teil der Biosphäre ein Zehntel bis die Hälfte aller lebenden Materie auf der Erde enthalten.
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Wissenschaftler haben Mikroben entdeckt, die Granitfelsen in einer Tiefe von etwa zwei Kilometern in den Rocky Mountains sowie in marinen Sedimentgesteinen aus der Zeit der Dinosaurier bewohnen. Sie fanden sogar winzige Lebewesen - Würmer, die wie Garnelenarthropoden aussehen, Bartenrotifere - in den Goldminen Südafrikas in einer Tiefe von 340 Metern.
Wir Menschen neigen dazu, die Welt als festen Fels zu betrachten, der mit einer dünnen Schicht Leben bedeckt ist. Für Wissenschaftler wie Templeton sieht der Planet jedoch eher wie ein Käsekreis aus, dessen dichte Ränder ständig durch die sich vermehrenden Mikroben in seinen Tiefen zerstört werden. Diese Kreaturen ernähren sich von Quellen, die nicht nur ungenießbar, sondern auch immateriell erscheinen - wir sprechen über den atomaren Zerfall radioaktiver Elemente, über den Prozess, der durch den Druck von Gesteinen entsteht, wenn diese in die Tiefen der Erde sinken, und über ihre Zersetzung und vielleicht sogar darüber Erdbeben.
Templeton kam nach Oman, um versteckte Oasen des Lebens zu finden. Das Brutzeln des Wasserstoffgases im Jahr 2014 war ein wichtiger Beweis dafür, dass sie auf dem richtigen Weg war. Also kehrten Templeton und ihre Kollegen letzten Januar nach Oman zurück, um einen Brunnen bis zu einer Tiefe von 400 Metern zu bohren und zu versuchen, die Bewohner dieser Tiefen zu finden.
An einem heißen Winterabend ertönte ein durchdringendes Geräusch über den sonnenverbrannten Weiten des Wadi Lavaina-Tals. Fast in der Mitte dieses Tals erschien ein Bulldozer. Und vor ihm befand sich eine Bohrwelle, die sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren Umdrehungen pro Minute drehen konnte.
Ein halbes Dutzend Menschen mit Schutzhelmen - hauptsächlich indische Arbeiter, die von einer örtlichen Firma eingestellt wurden - bedienten das Rig. Templeton und ein halbes Dutzend anderer Wissenschaftler und Doktoranden standen mehrere Meter entfernt im Schatten eines Baldachins, der in der sanften Brise schwankte. Alle beugten sich über die Tische und untersuchten die Gesteinsproben, die die Arbeiter ungefähr jede Stunde nach oben brachten.
Dieses Bohrgerät war den ganzen Tag in Betrieb, und die Farbe der ankommenden Bodenproben änderte sich mit zunehmender Tiefe. Die ersten Meter des Gesteins hatten einen orangefarbenen oder gelben Farbton, was darauf hinweist, dass Sauerstoff von der Oberfläche das im Gestein enthaltene Eisen in rostige Mineralien verwandelt hatte. In einer Tiefe von 20 Metern verschwanden Sauerstoffspuren, die Steine verdunkelten sich zu einer grünlich-rosa Farbe mit schwarzen Adern.
"Ein wunderschöner Stein", sagte Templeton und streichelte die Oberfläche mit ihrer latexhandschuhten Hand. Ihre Brille war hochgezogen und ruhte auf glattem, dunkelblondem Haar. Sie enthüllte Wangen, die sich durch jahrelange Arbeit auf Schiffen, auf tropischen Inseln, in den Breiten der Arktis und anderswo verdunkelt hatten. "Ich hoffe, mehr von dieser Art von Material zu sehen", sagte sie.
Dieser grünlich-schwarze Stein gab ihr einen Einblick in etwas, das anderswo auf unserem Planeten kaum zu sehen ist.
Diese Gesteinsproben, die aus großer Tiefe an die Oberfläche gebracht wurden, erwiesen sich als reich an Eisen - Eisen in Form von Mineralien, die in der Regel nicht auf der Erdoberfläche überleben. Dieses unterirdische Eisen ist chemisch so reaktiv, dass es dazu neigt, sich so stark mit Sauerstoff zu verbinden, dass Wassermoleküle brechen, wenn es mit unterirdischem Wasser in Kontakt kommt. Es zieht Sauerstoff aus dem Wasser und hinterlässt Wasserstoff.
Geologen nennen diesen Prozess "Serpentinisierung" wegen der gewundenen Spuren von schwarzen, grünen und weißen Mineralien, die er hinterlässt. Serpentinisierung tritt normalerweise an Orten auf, die für Menschen unzugänglich sind, einschließlich in einer Tiefe von mehreren tausend Metern unter dem Boden des Atlantischen Ozeans.
Und hier im Oman kommen die Felsen in den Tiefen der Erde so nahe an die Oberfläche, dass die Serpentinisierung nur wenige hundert Meter unter den Füßen erfolgt. Der Wasserstoff, der 2014 die Tempelton-Wasserflasche zerriss, war ein kleines Beispiel für den Serpentinisierungsprozess. Ein vor einigen Jahren in dieser Region gebohrter Wasserbrunnen produzierte so viel Wasserstoff, dass sogar eine Explosion drohte, weshalb die Regierung gezwungen war, ihn dringend zu konkretisieren.
Wasserstoff ist eine spezielle Substanz. Es wurde als eines der Treibmittel für den Start von Apollo-Raumfahrzeugen und Shuttles in die Umlaufbahn verwendet und ist eines der energiereichsten Elemente, die natürlicherweise auf der Erde vorkommen. Dies macht es zu einem wichtigen Lebensmittel für die Mikroben, die unter der Erdoberfläche existieren.
Gesteinsfragmente für die geologische Forschung.
Insgesamt können Mikroben, die unter den Bergen im östlichen Oman leben, jedes Jahr Tonnen Wasserstoff verbrauchen, was zu einer langsamen und kontrollierten Verbrennung des Gases führt, die präzise durch Enzyme in ihren wassergefüllten Zellen gesteuert wird.
Wasserstoff ist jedoch nur die eine Hälfte der Lebensgleichung - um Energie aus Wasserstoff zu erzeugen, benötigen Mikroben etwas anderes, um ihn zu verbrennen, so wie die Menschheit gezwungen ist, Sauerstoff einzuatmen, um Lebensmittel zu verarbeiten. Templetons Hauptaufgabe ist es genau zu verstehen, mit was Mikroben in einer solchen Tiefe unter der Erde "atmen", in der es keinen Sauerstoff gibt.
Um zwei Uhr nachmittags fährt ein ramponierter Kleintransporter auf einer staubigen und schlammigen Straße zur Bohrstelle. Hinter ihm stehen - streng nacheinander - sechs Kamele, deren Köpfe im Wind schwanken. Dies sind einheimische Tiere, sie sind mit kurzen Leinen gefesselt und sie steuern auf eine neue Weide zu, die sich irgendwo in diesem Tal befindet.
Templeton, der die Kamele vergaß, schrie plötzlich und verbarg ihre Erregung nicht: "Gold!" Sie zeigte auf eine Bodenprobe auf dem Tisch sowie auf eine kleine Ansammlung gelber Metallkristalle. Ihre kubische Form half, ihren kleinen Witz zu verstehen: Diese Kristalle waren kein echtes Gold, sondern das Gold der Narren, das auch Eisenpyrit genannt wird.
Eisenpyrit besteht aus Eisen und Schwefel, und dies ist eines der Mineralien, das auch als "biogen" bezeichnet wird: Seine Bildung ist manchmal mit der Aktivität von Mikroben verbunden. Die Kristalle selbst können aus dem Abfall gebildet werden, den mikrobielle Zellen "ausatmen". Daher kann Pyrit ein Nebenprodukt des mikrobiellen Stoffwechsels sein, eine Möglichkeit, die Templeton als "schön" bezeichnet.
Zu Hause in Colorado wird sie diesen Kristallen die gleiche Aufmerksamkeit schenken, die ein Archäologe einem Haufen antiken römischen Mülls widmen würde. Sie wird sie in transparente Stücke schneiden und unter einem Mikroskop untersuchen. Wenn Pyrit tatsächlich ein Produkt lebender Zellen ist, können Mikroben "wahrscheinlich in Mineralien vergraben werden". Sie hofft, ihre versteinerten Körper zu finden.
Bis in die frühen neunziger Jahre ahnte niemand, wie aktiv das Leben der Bewohner der Erdtiefen sein könnte. Der erste Beweis wurde im Felsen unter dem Meeresboden gefunden.
Geologen haben lange bemerkt, dass die in dunklen Basaltgesteinen gefundenen Vulkangase Tausende von Metern unter dem Meeresspiegel liegen, der häufig mikroskopisch kleine Vertiefungen und Tunnel aufweist. "Wir hatten keine Ahnung, dass dies biologisch sein könnte", sagt Hubert Staudigel, Vulkanologe am Scripps Institute of Oceanography in La Jolla, Kalifornien.
1992 schlug ein junger Wissenschaftler namens Ingunn Thorseth von der Universität Bergen in Norwegen vor, dass diese Depressionen das geologische Äquivalent von Zahnkaries sind - Mikroben, die sie durch den Verbrauch von Eisenatomen in vulkanisches Glas einbetten. Tatsächlich entdeckte Thorset, was innerhalb dieser Vertiefungen in Felsen, die sich 3000 Fuß unter dem Meeresboden angesammelt hatten, mit toten Zellen verwechselt werden konnte.
Als diese Entdeckungen veröffentlicht wurden, arbeitete Templeton noch nicht vor Ort. 1996 erwarb sie ihren Master in Geochemie und arbeitete anschließend am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien, wo sie untersuchte, wie schnell Mikroben Flugbenzin im Boden eines ehemaligen US-Marinestützpunkts fressen. Einige Jahre später untersuchten sie für ihre Doktorarbeit an der Stanford University, wie unterirdische Mikroben Blei, Arsen und andere Schadstoffe während des Stoffwechsels metabolisieren.
Im Jahr 2002 wechselte sie zum Scripps Lab, um mit Professor für Biologie, Bradley Tebo und Staudigel an ähnlichen Themen zu arbeiten, nämlich wie Mikroben in Eisen und anderen Metallen im Basaltglas im Meeresboden leben.
Im November dieses Jahres stieg sie auf dem hinteren Deck eines Forschungsschiffs im Zentrum des Pazifischen Ozeans durch eine Luke in das autogroße Tauchboot Pisces-IV und tauchte in den Meeresboden ein. Terry Kerby, Pilot am Seabed Research Laboratory in Hawaii, richtete das Fahrzeug auf den Südhang des Loihi Seamount, eines Unterwasservulkans in der Nähe von Hawaiis Big Island.
Auf 1.700 Metern beleuchtete der Suchscheinwerfer des U-Bootes kaum die seltsame Unterwasserlandschaft - eine durcheinandergebrachte Mischung aus dicht gepackten Müllsäcken, die in einer Art Pyramide in einem Durcheinander gestapelt waren. Diese sogenannten Basaltkissen bildeten sich im Laufe der Jahrhunderte, als die Lava, die durch Risse sickerte, mit Meerwasser kollidierte, wonach sie schnell abkühlte und sich in glatte Steine verwandelte. Templeton lag zitternd in der Kälte auf ihrer Seite der Bank und beobachtete durch das dicke Glas, wie Kirby mit einem mechanischen Arm Basaltbrocken abhackte. Acht Stunden nach Beginn des Tauchgangs zum Meeresboden kehrten sie mit fünf Kilogramm Fels an die Oberfläche zurück.
Im selben Jahr besuchten sie und Stuadigel den Kilauea-Vulkan in Hawaii in der Hoffnung, mikrobiell freies Vulkanglas zu sammeln, das sie mit Proben vergleichen konnten, die vom Meeresboden gesammelt wurden. Mit schweren Stiefeln kamen sie nicht zum Lavastrom und gingen über die versteinerte Kruste, die nur wenige Zentimeter dick war. Staudigel fand eine Stelle, an der orange geschmolzene Lava die entstandene erstarrte Kruste durchbrach. Er nahm ein Stück heiße Lava mit einer Metallstange - es sah aus wie heißer und klebriger Honig - und stellte es in einen Eimer Wasser. Das Wasser kochte mit einer Pfeife und einem Geräusch, und nach einer Weile verhärtete sich die Lava und verwandelte sich in Glas.
Zurück im Labor isolierte Templeton Dutzende von Bakterienstämmen, die Eisen und Mangan aus Felsen am Meeresboden absorbieren. Zusammen mit ihren Kollegen schmolz sie erneut steriles Glas aus dem Kilauea-Vulkan in einem Ofen, fügte verschiedene Mengen Eisen und andere Nährstoffe hinzu und züchtete daraus Bakterienstämme. Sie verwendete die fortschrittlichsten Techniken, einschließlich Röntgenstrahlen, und beobachtete mit Freude, wie Bakterien Mineralien recyceln.
"Mein ganzer Keller war mit Basaltsteinen gefüllt, die vom Meeresboden erhoben wurden, weil ich sie einfach nicht ablehnen konnte", erzählte sie mir eines Tages, als es keine Bohrungen gab.
Diese Gesteinsproben sowie die Bakterien, die sich von ihnen ernährten, hatten jedoch aus Templetons Sicht einen großen Nachteil: Sie wurden vom Meeresboden entnommen, wo das Wasser bereits Sauerstoff enthält.
Sauerstoff ist Teil aller Lebewesen auf der Erde - von Erdferkeln und Regenwürmern bis zu Quallen; Unsere Atmosphäre und die meisten Ozeane sind damit gefüllt, um sich neu zu verteilen. Die Erde hatte jedoch nur für einen kleinen Zeitraum ihrer Geschichte so viel Sauerstoff. Bis heute sind weite Teile der Biosphäre unseres Planeten noch nie auf Sauerstoff gestoßen. Es reicht aus, ein paar Meter in den Boden zu stürzen, und es wird keinen Sauerstoff mehr geben. An jedem anderen Ort im Sonnensystem, einschließlich des Mars, an dem Leben existieren kann, finden Sie keinen Sauerstoff.
Während Templeton die tiefe Biosphäre der Erde studierte, interessierte sie sich auch für die Frage nach dem Ursprung des Lebens auf unserem Planeten und an anderen Orten im Sonnensystem. Die Erforschung des unterirdischen Raums kann einen Einblick in diese getrennten Orte und Zeiten geben, aber das wird nur möglich sein, wenn sie tiefer gehen kann, außerhalb der Reichweite von Sauerstoff.
Die Berge von Oman schienen der ideale Ort für diese Art der Erkundung zu sein. Diese riesige Gesteinsmasse, die nach und nach einer Serpentinisierung unterzogen wird, enthält Orte mit Sauerstoffmangel sowie chemisch aktive Eisenverbindungen, die sich laut Wissenschaftlern in den Tiefen der Erde befinden.
Templeton und mehrere andere Forscher der tiefen Biosphäre waren in den frühen Planungsphasen an einem anderen Großprojekt beteiligt, dem Oman-Bohrprojekt.
Das Projekt wird von Peter Kelemen geleitet, einem Geologen am Lamont-Doherty Earth Observatory in New York. Es hat seine eigene Mission - tiefe Gesteine im Oman interagieren nicht nur mit Sauerstoff und Wasser, sondern auch mit Kohlendioxid, drücken Gas in die Atmosphäre und schließen es in Karbonatmineralien ein - dieser Prozess wird, wenn Wissenschaftler es verstehen können, der Menschheit helfen, es zu reduzieren Emission von Kohlendioxid in die Atmosphäre.
Kelemen war im Januar 2018 beim Bohren im Wadi Lavaini anwesend. Er war zuversichtlich, dass Beweise für das Leben entdeckt werden würden. Diese Gesteine bildeten sich ursprünglich bei Temperaturen über 980 Grad Celsius. Sie kühlten jedoch schnell ab, und heute hat die Temperatur in der oberen Schicht, die etwa 500 Meter tief ist, eine Temperatur von etwa 30 Grad Celsius (90 Grad Fahrenheit). Diese Felsen "waren nicht heiß genug, um alle Mikroben seit der Kreidezeit abzutöten" - der Ära der Dinosaurier.
Um drei Uhr nachmittags versammelten sich ein halbes Dutzend Besatzungsmitglieder an der Bohrinsel zu einer Art Ritual, auf das alle mit großer Aufmerksamkeit warten.
Ein neuer Teil des Kerns, der gerade von der gebohrten Welle genommen wurde, wird auf den Bock abgesenkt. Wir sprechen von einem drei Meter hohen Steinzylinder - er entspricht in seiner Dicke in etwa dem dicken Ende eines Baseballschlägers und befindet sich in einem Metallzylinder.
Die Arbeiter hoben ein Ende dieses Rohrs an. Und der Kern rutschte heraus - zusammen mit der schwarzen und klebrigen Flüssigkeit. Schwarzer, dicker Schlamm lief auf den Boden. Der aus dem Boden extrahierte Kern war vollständig mit dieser Substanz bedeckt.
"Oh mein Gott", sagte jemand. - Wow". Überall flüsterte.
Einer der Arbeiter wischte den extrahierten Kern ab, woraufhin sich kleine Blasen auf seiner glatten und glänzenden Oberfläche bildeten, wie in kochendem Öl. Diese Gesteinsprobe setzte, unberührt von dem Druck im Untergrund, Gase direkt vor unseren Augen frei, und ihre Blasen sickerten durch die Poren im Gestein. Der Geruch von Abwasser und brennendem Gummi begann in die Luft zu sickern - der Geruch, den die dort anwesenden Wissenschaftler sofort identifizierten.
"Es ist ein sehr lebhafter Stein", sagte Templeton.
"Schwefelwasserstoff", sagte Kelemen.
Schwefelwasserstoff ist ein Gas, das sich in den Abwasserkanälen, im Darm und - jetzt offensichtlich - im Untergrund des Oman bildet. Es wird von Mikroben produziert, die in Abwesenheit von Sauerstoff leben. Ohne dieses lebensspendende Gas machen sie einen Trick, zu dem die auf der Oberfläche des Planeten lebenden Tiere nicht in der Lage sind - sie beginnen etwas anderes zu atmen. Mit anderen Worten, sie verbrennen ihre Lebensmittel mit anderen unterirdischen Chemikalien.
Ein Teil des an die Oberfläche gehobenen Kerns wurde mit Streifen aus Orangen-Zimt-Stein durchbohrt - so strömten vor Millionen von Jahren heiße Lava durch tiefe Risse auf der Erdoberfläche, und in diesem Moment befand sich dieser Stein in einer Tiefe von mehreren Kilometern im Darm der Erde …
Diese Spuren von versteinertem Magma gaben dem Grundwasser allmählich ihre chemischen Bestandteile ab - einschließlich der als Sulfate bezeichneten Moleküle, die aus einem Schwefelatom bestehen, das an vier Sauerstoffatome gebunden ist. Anscheinend haben Mikroben diese Moleküle verwendet, um Wasserstoff zu verdauen, sagte Templeton. „Sie essen Wasserstoff und atmen Sulfat aus.“Und dann setzen sie immer noch ihre Gase frei.
Schwefelwasserstoff hat nicht nur einen starken und unangenehmen Geruch. Es ist auch giftig. Daher besteht die Gefahr, dass die Mikroben, die es produzieren, vergiftet werden, wenn es sich unter der Erde ansammelt. Wie schaffen sie es, Vergiftungen zu vermeiden? Wieder einmal gibt uns der Stein die Antwort.
Die Bohrungen wurden in den nächsten Tagen fortgesetzt, aber die schwarze Aufschlämmung verschwand allmählich. Jeder neue Kern, der an die Oberfläche gebracht wurde, war trocken und geruchlos. Der Stein selbst hat sich jedoch verändert - sein venenartiges Mosaik und Serpentin wurden dunkler, und seine Haupttöne waren grau und schwarz, und er begann, einem in Tinte getauchten karierten Rock zu ähneln.
"All diese Schwärzung ist ein Bioprodukt", sagte Templeton eines Abends, als sie und ihr Kollege Eric Ellison in einem instrumentenbeladenen Laboranhänger Steinproben verpackten, um sie nach Hause zu schicken. Einige der Steine befanden sich in versiegelten Plexiglasboxen, und Ellison bewegte sie mit Handschuhen, die an den Boxen der Maschinen angebracht waren - all dies erweckte den Eindruck, dass die gesammelten Gesteinsproben etwas Unheimliches enthielten. Diese Vorsichtsmaßnahme sollte die Person jedoch nicht schützen. Dies wurde getan, um empfindlichen Mikroben den Kontakt mit Sauerstoff zu entziehen.
Templeton glaubte, dass es diese Mikroben waren, die sich auf die jüngsten Gesteinsproben auswirkten - der Schwefelwasserstoff, den sie ausatmeten, reagierte mit dem Gestein unter Bildung von Eisensulfid, einem harmlosen schwarzen Mineral. Der Pyrit, den wir zuvor gesehen haben, besteht ebenfalls aus Eisen und Schwefel und könnte sich auf die gleiche Weise gebildet haben.
Diese schwarzen Mineralien sind mehr als nur akademische Raritäten. Sie geben einen Einblick, wie Mikroben in der Erdkruste nicht nur überleben, sondern sie auch verändern und in einigen Fällen sogar Mineralien erzeugen konnten, die anderswo nicht existieren.
Einige der reichsten Ablagerungen von Eisen, Blei, Zink, Kupfer, Silber und anderen Metallen wurden gebildet, als Schwefelwasserstoff mit diesen Metallen tief unter der Erde kollidierte. Diese Sulfide fingen diese Metalle ein und verwandelten sie durch Konzentration in Mineralien, die sich über Millionen von Jahren bildeten - bis sie von Bergleuten an die Oberfläche gebracht wurden. Der Schwefelwasserstoff, der diese Erze bildete, war oft vulkanischen Ursprungs, wurde jedoch in einigen Fällen von Mikroben gebildet.
Robert Hazen, Mineralogist und Astrobiologe am Carnegie Center in Washington, DC, glaubt, dass mehr als die Hälfte der Mineralien ihre Existenz Lebensformen verdankt - Pflanzenwurzeln, Korallen, Kieselalgen und sogar unterirdischen Mikroben. Er ist sogar bereit vorzuschlagen, dass die sieben Kontinente unseres Planeten ihre Existenz teilweise Mikroben verdanken, die Steine wegfressen.
Vor vier Milliarden Jahren hatte die Erde kein dauerhaftes Land - nur wenige Vulkangipfel ragten über den Ozean. Mikroben auf dem Meeresboden haben jedoch dazu beigetragen, diese Situation zu ändern. Sie griffen Basaltablagerungen ähnlich an wie heute und wandelten vulkanisches Glas in Tonmineralien um. Und nach dem Erweichen werden sie wieder fest und verwandeln sich in neue Steine - in ein leichteres und formbareres Material als der Rest des Planeten: Granit.
Diese leichten Granite verschmolzen und stiegen über die Oberfläche des Ozeans und schufen so permanente Kontinente. Anscheinend fand dieser Prozess bis zu einem gewissen Grad ohne die Hilfe von Mikroben statt, aber Hazen glaubt, dass sie ihn beschleunigt haben. "Sie können sich vorstellen, dass Mikroben ein Gleichgewicht schaffen", sagt er. "Wir argumentieren, dass Mikroben eine grundlegende Rolle gespielt haben."
Die Entstehung von Land hat erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung der Erde. Gesteine, die unter dem Einfluss von Luft standen, brachen schneller zusammen und setzten Nährstoffe wie Molybdän, Eisen und Phosphor in den Ozean frei. Diese Nährstoffe haben das Wachstum von photosynthetischen Algen gefördert, die Kohlendioxid absorbieren und Sauerstoff freisetzen. Vor ungefähr zwei Milliarden Jahren erschienen die ersten Spuren von Sauerstoff in der Erdatmosphäre. Vor 550 Millionen Jahren erreichte der Sauerstoffgehalt endlich den Wert, der zur Unterstützung primitiver Tiere benötigt wird.
Die reichlich vorhandene Wassermenge auf der Erde sowie die optimale Entfernung von der Sonne machten sie zu einem vielversprechenden Inkubator für das Leben. Die Umwandlung in ein Paradies für empfindungsfähige und sauerstoffatmende Tiere war jedoch nie garantiert. Mikroben haben unseren Planeten möglicherweise an einen unsichtbaren Wendepunkt gebracht - die Bildung von Kontinenten, Sauerstoff und die Bildung von Leben, wie wir es kennen.
Und auch heute noch machen Mikroben unseren Planeten von innen heraus und machen ihn neu.
In mancher Hinsicht ähneln unterirdische Mikroben der menschlichen Zivilisation, in der sich an der Kreuzung „Städte“bilden. In Oman befand sich in einer Tiefe von 30 Metern eine blühende Oase mit duftenden schwarzen Mikroben nahe dem Schnittpunkt mehrerer großer Risse im Gestein - dies sind die Kanäle, durch die Wasserstoff und Sulfate aus verschiedenen Quellen dorthin gelangen konnten.
Elisabetta Mariani, eine Strukturgeologin an der Universität von Liverpool in England, verbrachte viele Tage unter einem Zelt und reparierte diese Risse in den Felsen. Eines Morgens rief sie mich an, um mir etwas Besonderes zu zeigen - einen Riss, der diagonal über den Kern verlief, und dort sah man zwei Felsoberflächen, die mit Schichten aus grünem und gelbem Serpentin durchbohrt waren, so dünn wie ein Blatt Papier.
"Sehen Sie diese Spurrillen?" sie fragte auf Englisch mit einem Akzent, der ihre Muttersprache Italienisch verriet, und zeigte auf Risse in zwei Serpentinenoberflächen. Sie sagten aus, dass dies nicht nur eine passive Fraktur war, sondern ein aktiver Fehler. "Zwei Felsblöcke bewegten sich und berührten sich in diese Richtung", sagte sie und zeigte auf die Spurrillen.
Tullis Onstott, ein Geologe an der Princeton University, der nicht an dem Bohrprojekt in Oman beteiligt ist, glaubt, dass solche aktiven Brüche nicht nur Wege für Lebensmittel bieten können, um sich unter der Erde zu bewegen - sie haben möglicherweise Lebensmittel produziert. Im November 2017 begannen Onstott und seine Kollegen ein gewagtes Experiment. Sie begannen ihre Arbeit in einem Tunnel in einer Tiefe von 2500 Metern in der Goldmine Moab Khotsong in Südafrika und bohrten von dort aus einen neuen Brunnen in Richtung einer Verwerfung, die weitere 800 Meter tiefer war. Am 5. August 2014 ereignete sich bei diesem Fehler ein Erdbeben der Stärke 5,5. Onstott hoffte auf diese Weise, die provokative Idee zu testen, dass Erdbeben Nahrung für die tiefe Biosphäre liefern könnten.
Wissenschaftler haben lange bemerkt, dass Wasserstoffgas aus großen Fehlern austritt, darunter San Andreas in Kalifornien. Ein Teil dieses Gases ist eine chemische Reaktion - Silikatmineralien, die während eines Erdbebens abgebaut werden, reagieren mit Wasser und setzen Wasserstoff als Nebenprodukt frei. Für Mikroben in der Nähe des Risses kann diese Art der Reaktion zu einer periodischen Energieexplosion führen, die mit einer großen Zuckeraufnahme verbunden ist.
Im März 2018, vier Monate nach Beginn der Bohrungen in der Moab-Hotsong-Mine, brachten die Arbeiter einen Kern an die Oberfläche, der die Verwerfung überquerte.
Der Felsen entlang der Verwerfung wurde "ziemlich schwer zerstört", sagt Onstott - ein Dutzend paralleler Brüche waren im Kern zu sehen. Die Oberfläche einiger dieser Risse verwandelte sich in spröden Ton, dessen Streifen auf die jüngsten Erdbeben hinwiesen. Andere Risse waren mit Adern aus weißem Quarzit gefüllt, was auf ältere Brüche hinwies, die sich vor Tausenden von Jahren gebildet hatten.
Onstott sucht derzeit nach versteinerten Zellen in diesen Quarzitadern und analysiert das Gestein auf DNA, um auf diese Weise festzustellen, welche Bakterien gegebenenfalls in diesem Riss leben.
Darüber hinaus haben er und seine Kollegen - und vor allem - die Bohrlöcher offen gelassen und überwachen Wasser, Glas und Mikroben im Fehler selbst und entnehmen jedes Mal, wenn es zu einem zweiten Erdbeben kommt, neue Proben. "In diesem Fall können Sie sehen, ob Glas freigesetzt wird oder nicht", sagt er, "und auch beobachten, ob sich aufgrund des Gasverbrauchs Veränderungen in der mikrobiologischen Gemeinschaft ergeben."
Während Onstott auf diese Ergebnisse wartet, spekuliert er auch über eine radikalere Möglichkeit: Diese tiefsitzenden Bakterien ernähren sich nicht nur von den Auswirkungen von Erdbeben, sondern können diese auch verursachen. Wenn Mikroben anfangen, Eisen, Mangan und andere Elemente in Mineralien anzugreifen, die entlang der Bruchlinien auftreten, können sie seiner Meinung nach das Gestein schwächen - und diese Brüche auf den nächsten großen Schlag vorbereiten. Um diese Möglichkeit zu untersuchen, müssen Laborexperimente durchgeführt werden, um festzustellen, ob Bakterien in diesen Frakturen tatsächlich in der Lage sind, Mineralien schnell genug abzubauen, um die seismische Aktivität zu beeinflussen. Mit einer charakteristischen Unterschätzung der Bedeutung des Wissenschaftlers denkt er über die bevorstehende Arbeit nach: "Dies ist eine hinreichend vernünftige Hypothese, um sie zu testen."
Am 30. Januar erreichte die Bohranlage im Wadi Lavaini 60 Meter. Ihre Motoren dröhnten im Hintergrund, als Templeton und ihr Kollege Eric Boyd auf Feldstühlen unter einem Akazienbaum saßen. Neben ihnen waren Anzeichen anderer Reisender, die auf dieser in der Gegend seltenen Schatteninsel Urlaub machten - Kamelkot, glatt und rund wie ledrige Pflaumen.
"Wir glauben, dass die Umwelt wichtig ist, um die Ursprünge des Lebens zu verstehen", sagte Boyd, Geobiologe an der Montana State University in Bozeman. Seiner Meinung nach ist dies der Grund, warum er und Templeton die tiefen Felsen im Oman studieren. "Wir lieben Wasserstoff", sagt er.
Sowohl Boyd als auch Templeton glauben, dass das Leben auf der Erde in einer ähnlichen Umgebung entstanden ist wie die, die mehrere Meter unter ihren Feldklappstühlen existiert. Ihnen zufolge liegt die Wiege des Lebens in den Rissen unter der Erdoberfläche, in denen eisenreiche Mineralien nach Kontakt mit Wasser Wasserstoff aus sich herausgedrückt haben.
Von allen chemischen Brennstoffen, die vor vier Milliarden Jahren auf der Erde existierten, scheint Wasserstoff eines der einfachsten Elemente für den Stoffwechsel früher und ineffizienter Zellen zu sein. Wasserstoff wurde nicht nur durch Serpentinisierung erzeugt, sondern auch - wie heute - aus dem radioaktiven Zerfall von Elementen wie Uran, das ständig Wassermoleküle im umgebenden Gestein abbaut. Wasserstoff ist so instabil, dass er sich so stark zersetzt, dass er selbst von milden Oxidationsmitteln wie Kohlendioxid oder reinem Schwefel verdaut werden kann. Eine Untersuchung der DNA von Millionen von Gensequenzen legt nahe, dass der Vorläufer des Lebens auf der Erde - der "letzte universelle gemeinsame Vorfahr" - Wasserstoff als Nahrung verwendet und mit Kohlendioxid verbrannt hat. Das selbe,Es ist wahrscheinlich möglich, über das Leben in anderen Welten zu sagen.
Eisenhaltige Mineralien finden sich hier im Oman häufig im Sonnensystem, ebenso wie der Prozess der Serpentinisierung. Die Orbiter-Raumsonde, die derzeit den Mars umkreist, hat Serpentinenmineralien auf der Marsoberfläche entdeckt. Das Raumschiff Cassini hat tief in Enceladus, dem eisbedeckten Mond des Saturn, chemische Hinweise auf eine anhaltende Serpentinisierung gefunden. Serpentinenähnliche Mineralien wurden auch auf der Oberfläche von Ceres gefunden, einem Zwergplaneten, dessen Umlaufbahn zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter liegt. Serpentinen wurden sogar in Meteoriten gefunden, in Fragmenten embryonaler Planeten, die vor 4,5 Milliarden Jahren existierten, dh gerade zum Zeitpunkt der Geburt der Erde, und dies könnte bedeuten, dass die Wiege des Lebens tatsächlich vor der Entstehung unseres Planeten existierte.
An all diesen Orten wurde Wasserstoff gefunden - die Energiequelle für das entstehende Leben. Es kann immer noch im gesamten Sonnensystem produziert werden.
Boyds Schlussfolgerungen sind atemberaubend.
"Wenn Sie diese Art von Gestein haben und die Temperatur mit der auf der Erde vergleichbar ist und wenn Sie noch flüssiges Wasser haben, wie unvermeidlich ist das Leben Ihrer Meinung nach?", Fragt er. "Persönlich bin ich sicher, dass es unvermeidlich ist."
Das Leben zu finden wird eine Herausforderung sein. Mit der vorhandenen Technologie kann ein zum Mars geschicktes Raumschiff ein Loch bohren, das nur wenige Meter tief in feindliche Oberflächen eindringt. Diese Oberflächengesteine können Spuren eines früheren Lebens enthalten - vielleicht die ausgetrockneten Fundamente von Marszellen in den mikroskopisch kleinen Tunneln, die sie durch die Mineralien genagt haben -, aber lebende Mikroben sind wahrscheinlich mehrere hundert Fuß tief. Templeton versucht, Spuren eines vergangenen Lebens zu finden - und auch diese Zeichen von den Dingen zu trennen, die nicht vom Leben beeinflusst wurden - und das seit dem Moment, als sie vor 16 Jahren Basaltglas auf dem Meeresboden untersuchte.
"Meine Aufgabe ist es, biologische Drucke zu finden", sagt sie. Sie verwendet dieselben Werkzeuge, um Proben aus dem Oman zu untersuchen, wie sie es tut, um Glas zu untersuchen. Sie schießt mit Röntgenstrahlen auf die Oberflächen von Mineralien, um zu verstehen, wie Mikroben Mineralien modifizieren. Sie will auch verstehen: Lassen sie sie an Ort und Stelle? Oder korrodieren sie sie? Indem sie untersucht, welche lebenden Mikroben Mineralien absorbieren, hofft sie, einen zuverlässigen Weg zu finden, um dieselben chemischen Absorptionsspuren in außerirdischen Gesteinen zu identifizieren, die seit Tausenden von Jahren keine lebenden Zellen mehr haben.
Eines Tages werden solche Instrumente an Bord eines Rovers sein. Oder sie werden zur Untersuchung von Gesteinsproben aus anderen Welten verwendet. In der Zwischenzeit haben Templeton und ihre Kollegen im Oman noch viel zu tun - sie müssen herausfinden, was die dunkle, heiße und verborgene Biosphäre unter ihren Füßen enthält.
Douglas Fox
