Wie Methan auf die junge Erde kam

Während des Archaikums vor vier bis zweieinhalb Milliarden Jahren gab es noch kein Leben auf der Erde. Von der jungen Sonne gelangte damals nur 70 bis 83 Prozent der heutigen Energie zu uns. Trotzdem war es warm genug, dass die Ozeane nicht zu Eis erstarrten. Der Grund dafür: Ein effizienter Treibhauseffekt heizte die Atmosphäre auf – vor allem verursacht durch Methan. Doch woher dieses Methan kam, stellt Forschende noch immer vor ein Rätsel. Eine Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern schlägt nun in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ einen neuen chemischen Reaktionspfad vor, wie sich die Klimagase Methan und Ethan gebildet haben könnten. Anders als in bislang bekannten Reaktionen könnten die Gase auf diesem Weg auch unter den normalen Umweltbedingungen der frühen Erde entstehen – und somit leicht in großen Mengen.

Als eine wichtige Methanquelle für den effizienten Treibhauseffekt auf der noch unbelebten Erde galten bisher hydrothermale Schlote, also heiße Quellen wie etwa die Schwarzen Raucher, die noch heute auf dem Meeresgrund zu finden sind. Denn hier herrschen hohe Drücke und Temperaturen – eine Bedingung für die chemischen Reaktionen, in denen das Methan entstand. Doch bis heute fehlen eindeutige Hinweise, ob an den Schloten tatsächlich genug Methan für einen starken Treibhauseffekt entstehen konnte. Daher haben Leonard Ernst vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und sein Team nun alternative Ursprünge untersucht – und weisen auf bisher nicht beachtete chemische Reaktionen hin, bei denen signifikante Mengen an Methan und Ethan entstanden sein könnten. Und das bei Druck- und Temperaturbedingungen, die auf der jungen Erde weit verbreitet waren.

Um ihre Annahme zu überprüfen, führten die Forschenden in ihrem Labor mehrere Modellversuche durch. Sie wollten Bedingungen schaffen, die denen auf der jungen Erde ähnelten. Bei gerade einmal 30 Grad Celsius konnten sie durch sogenannte Fenton-Reaktionen die erhofften Klimagase erzeugen: Dabei oxidieren zunächst organische Substanzen mit Eisensalzen als Katalysator in Gegenwart von Wasserstoffperoxid. In der darauffolgenden Reaktion werden Methan und Ethan freigesetzt. Alle Ausgangsstoffe für diesen Reaktionspfad standen auf der jungen Erde zur Verfügung. Unterstützt durch Licht und Wärme konnten die beiden Treibhausgase so in ausreichenden Mengen entstehen.

Die Studie zeigt, dass Fenton-Reaktionen einen weiteren Reaktionspfad darstellen, um die Methanbildung vor vier Milliarden Jahren zu erklären. Das Gas setzte den Treibhauseffekt in Gang, der schlussendlich die Grundlage für erstes irdisches Leben legte, das im Laufe des Archaikums entstand: Denn während dieser sogenannten „chemischen Evolution“ bildeten sich nach und nach Makromoleküle und erste Mikroorganismen, die sich selbst reproduzieren konnten.