Haben die geologischen Prozesse auf der Erde (hier fotografiert von der Blue-Ghost-Mondlandefähre von Firefly Aerospace) Einfluss auf die Entwicklung des Lebens?(Bildnachweis: Firefly Aerospace)
Das Konzept des „großen Filters“, mit dem erklärt werden soll, warum wir bisher allein im Universum zu sein scheinen, beruht auf falschen Annahmen, so ein neues Modell, das beschreibt, wie sich das Leben auf der Erde im Gleichschritt mit den sich verändernden geobiologischen Bedingungen und nicht durch eine Reihe unwahrscheinlicher Ereignisse entwickelte.
„Wir argumentieren, dass intelligentes Leben nicht unbedingt eine Reihe von glücklichen Zufällen benötigt, um zu existieren“, sagte der Hauptautor Dan Mills von der Universität München in einer Erklärung. „Der Mensch hat sich nicht ‚früh‘ oder ’spät‘ in der Erdgeschichte entwickelt, sondern ‚rechtzeitig‘, als die Bedingungen gegeben waren.“
Es war der australische Physiker Brandon Carter, der als Erster die Vorstellung verbreitete, dass das Leben auf der Erde das Ergebnis einer Abfolge von unwahrscheinlichen Ereignissen war, die er 1983 in einem Aufsatz als „harte Schritte“ bezeichnete.
Als Theoretiker der Schwarzen Löcher beschäftigte sich Carter von Zeit zu Zeit auch mit existenzielleren Fragen und spezialisierte sich darauf, Annahmen aus probabilistischen und anthropischen Überlegungen (d. h. das Argument, dass Schlussfolgerungen über die Natur des Kosmos durch die Tatsache, dass wir existieren, eingeschränkt werden müssen) zu ziehen, um etwas über unsere Existenz im Universum zu sagen.
Dies zeigt sich am besten in seinem Doomsday-Argument, in dem Carter behauptet, dass wir als Individuen mit größerer Wahrscheinlichkeit zu einem Zeitpunkt existieren werden, an dem die größte Anzahl von Menschen am Leben ist. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass jedem Menschen, der jemals gelebt hat, eine Nummer zugeteilt wird, die auf der Reihenfolge seiner Geburt basiert, und dann werden diese Nummern aus einem Topf gezogen, wie die Nummern in einer Lotterie – es ist wahrscheinlicher, eine höhere Nummer zu ziehen als eine sehr niedrige Nummer, wenn die Gesamtzahl der Menschen, die gelebt haben und jemals leben werden, groß ist. Da das Bevölkerungswachstum als exponentiell modelliert werden kann, deutet die Tatsache, dass wir jetzt mit einer relativ niedrigen Geburtenzahl im Vergleich zu all den Hunderten von Milliarden bis Billionen von Menschen, die uns folgen werden, existieren, darauf hin, dass der menschlichen Ethnie etwas Katastrophales zustoßen könnte, das die künftige Bevölkerungszahl einschränkt. Zumindest ist dies das Argument, über das Philosophen und Statistiker seit Carters Vorschlag streiten.
Carter’s „Hard Steps“-Modell unserer Evolution auf der Erde ist in ähnlicher Weise probabilistisch. Die Sonne steht kurz vor der Hälfte ihrer etwa 10 Milliarden Jahre währenden Lebensdauer, und doch haben wir – der Homo sapiens – fast die ganze Zeit gebraucht, um auf der Erde zu erscheinen. Carter sah keinen Grund, warum es so lange dauern sollte, bis sich menschenähnliches Leben auf der Erde entwickelte, wenn komplexes Leben im Universum weit verbreitet ist. Dies legte für Carter den Schluss nahe, dass die Entwicklung von menschenähnlichem Leben schwierig sein muss und eine Reihe von evolutionären Engpässen durchlaufen muss, bei denen die Chancen, dass sich Leben durchsetzt, so gering sind, dass wir normalerweise nicht erwarten, dass diese evolutionären Übergänge während der Lebensdauer der Erde stattfinden. Das Leben auf unserem Planeten wäre also ein absoluter Zufall, der sich anderswo im Universum wahrscheinlich nicht wiederholen würde.
Die Idee der harten Schritte hat sich in der Folge in das Konzept des „großen Filters“ verwandelt, die Vorstellung, dass etwas in der Geschichte allen Lebens dieses Leben unweigerlich zu einem Ende bringt. Zu den vorgeschlagenen großen Filtern gehören der Ursprung des Lebens, die Entwicklung des technologischen Lebens und die Fähigkeit dieses Lebens, sich selbst auszulöschen. Die Existenz des großen Filters würde sicherlich dazu beitragen, die offensichtliche „große Stille“ im Universum zu erklären, auf die die SETI-Forscher (Suche nach außerirdischer Intelligenz) gestoßen sind, denn in all den Jahrzehnten, in denen wir gesucht haben, gab es keine bestätigten Hinweise auf außerirdisches Leben.
Allerdings hat das „Hard Steps“-Modell ebenso wie das Doomsday-Argument seine Kritiker, zu denen sich nun auch die Autoren einer neuen Arbeit gesellen, in der sie auf einen Irrtum in Carters Argumentation hinweisen.
Carter ging ausdrücklich davon aus, dass das Alter der Sonne und damit der Erde keinen Einfluss darauf haben sollte, wie schnell sich komplexes Leben entwickelt hat. Die neue Arbeit von Mills (Geomikrobiologe) und den Co-Autoren Jennifer Macalady (Professorin für Geowissenschaften), Adam Frank und Jason Wright (beide Astrophysiker) von der Penn State University zeigt jedoch, dass das Alter der Sonne und damit der Erde sehr wohl etwas damit zu tun hat.
Das Team wählte fünf der allgemein anerkannten „harten Schritte“ aus: den Ursprung des Lebens, die Entwicklung von Eukaryoten (Organismen mit Zellen, die aus einem von einer Membran umgebenen Zellkern mit genetischer Information bestehen), die Sauerstoffanreicherung der Erdatmosphäre, die Entwicklung von komplexem mehrzelligem Leben und die Ankunft des Homo sapiens. Anschließend untersuchten sie, wie sich geologische und atmosphärische Veränderungen auf der Erde auf den Zeitpunkt auswirkten, an dem diese vermeintlich harten Schritte stattfanden. Wenn die Erde diesen vermeintlich schwierigen Schritten zunächst feindlich gegenüberstand, würde dies natürlich erklären, warum sie so lange dauerten – weil sie warten mussten, bis die Erde den Punkt erreichte, an dem sie möglich waren.
Nehmen wir zum Beispiel die Sauerstoffanreicherung der Erdatmosphäre. Mehr als zwei Milliarden Jahre lang nach ihrer Entstehung bestand die Erdatmosphäre hauptsächlich aus Kohlendioxid. Erst vor etwa 2,1 bis 2,4 Milliarden Jahren begann sich die Erdatmosphäre mit Sauerstoff zu füllen. Dies war dem Beginn der Photosynthese zu verdanken, die durch die Entwicklung von Mikroben, den Cyanobakterien, ausgelöst wurde. Die Entwicklung der Cyanobakterien wiederum hing von bestimmten Klima- und Umweltbedingungen ab. In einigen Modellen waren die Ozeane zu dieser Zeit heiß, und das Wasser hätte unter 70 Grad Celsius abkühlen müssen, damit sich Cyanobakterien entwickeln konnten. In anderen Modellen waren die Bedingungen milder und die Entwicklung der Cyanobakterien hing von der Verfügbarkeit von Süßwasser und dem Anteil der Landmasse der Erde über dem Meeresspiegel ab. In jedem Fall verzögerte sich die Entwicklung der Cyanobakterien und der Beginn der Photosynthese und der Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre, bis diese Bedingungen erfüllt waren; früher konnte es nicht geschehen.
Und selbst als die Cyanobakterien über die Photosynthese Kohlendioxid aufnahmen und Sauerstoff ausstießen, dauerte es eine Weile, bis der Sauerstoffgehalt anstieg. Mehrzelliges Leben benötigt eine bestimmte Menge an Sauerstoff, wobei komplexeres Leben im Allgemeinen mehr Sauerstoff benötigt. Der für die Evolution des Homo sapiens geeignete Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre trat erst vor 400 Millionen Jahren auf – das bedeutet, dass 91 % der Erdgeschichte lang nicht genug Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden war, um menschliches Leben zu ermöglichen.
Mit anderen Worten, das Team von Mills schlägt vor, dass es sich nicht um „harte Schritte“ handelte, wie Carter sie sah, sondern dass das Leben einfach warten musste, bis die Erde sie ermöglichen konnte – dass die Erde und das Leben sich gemeinsam entwickeln mussten.
Zu den weiteren Variablen, die sich darauf auswirkten, wie schnell die verschiedenen Phasen der Evolution des Lebens eintreten konnten, gehören der Ozongehalt der Atmosphäre, die Verfügbarkeit von Nährstoffen, die sinkenden Oberflächentemperaturen der Meere, der abnehmende Salzgehalt der Ozeane, Schneeball-Erdperioden, in denen der Planet vollständig vereist war, und die Entwicklung der Plattentektonik.
„Dies ist ein bedeutender Wandel in der Art und Weise, wie wir über die Geschichte des Lebens denken“, sagte Macalady. „Es deutet darauf hin, dass es bei der Entwicklung von komplexem Leben weniger um Glück als um das Zusammenspiel von Leben und Umwelt geht, was uns aufregende neue Wege in der Forschung eröffnet, um unsere Ursprünge und unseren Platz im Universum zu verstehen.“
Wir wissen aus geologischen Untersuchungen, dass Leben auf der Erde bereits vor 3,7 Milliarden Jahren und möglicherweise sogar noch früher existierte. Die anfängliche Entwicklung des Lebens auf der Erde wird als „Grenze der Bewohnbarkeit“ bezeichnet. Als sich später verschiedene Fenster der Habitabilität öffneten, konnte sich das Leben in Schüben entwickeln. Und wenn das auf der Erde so ist, könnte es auch auf anderen Welten so sein – und vielleicht schneller oder langsamer, je nachdem, wie sich die Geologie dieser Welten entwickelt.
Es gibt einen Vorbehalt: Die Evolutionsbiologen wissen immer noch nicht, wie das Leben auf der Erde entstanden ist. Dieser Moment der Entstehung verliert sich derzeit im Nebel der Zeit, und wir können noch nicht sagen, ob es sich um ein einmaliges, zufälliges Ereignis handelte oder ob es ein einfacher Schritt war. Eine Möglichkeit ist, dass sich das Leben auf der Erde mehrfach entwickelt hat, aber alle anderen Linien ausgestorben sind, so dass nur wir – die Nachkommen von LUCA, dem letzten gemeinsamen Vorfahren, aus dem sich alles bekannte Leben auf der Erde entwickelt hat – übrig geblieben sind. Dies würde die Illusion erwecken, dass das Leben nur einmal entstanden ist, obwohl es mehrere unabhängige Ursprünge gehabt haben könnte.
Zu den weiteren Rätseln gehört, wie biologische Zellen entstanden sind und was den dramatischen Beginn des komplexen Lebens während der kambrischen Explosion vor 540 Millionen Jahren verursacht hat.
Es ist durchaus möglich, dass es sich dabei um einmalige und seltene Ereignisse handelte, aber das neue Papier behauptet nicht, dass Leben im Universum häufig vorkommt, sondern nur, dass das Konzept der harten Schritte in der Evolution nicht notwendigerweise wahr ist und dass die Entwicklung planetarer Umgebungen im Gegensatz zu Carters ursprünglichem Modell eine große Rolle spielt.
Ein weiterer Vorbehalt ist, dass die Astronomen bisher noch keine andere erdähnliche Welt gefunden haben, so dass die Geologen noch nicht sagen können, ob die Art und Weise, in der sich die Geologie und die Atmosphäre der Erde entwickelt haben, typisch ist oder nicht. Es könnte sein, dass die Schaffung einer bewohnbaren Welt die schwierigsten Schritte sind.
Solange wir kein echtes außerirdisches Leben entdecken, seien es Mikroben auf dem Mars oder echte kleine grüne Männchen, werden wir uns weiterhin mit der Möglichkeit auseinandersetzen, dass die Erde und ihr Leben einzigartig sind. Bis dahin ist es ein einsames Universum da draußen.
Die Studie von Mills et al. wurde am 14. Februar in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
