Wie konnte ein schwacher magnetischer Puls vor 600 Millionen Jahren die Evolution ausgelöst haben?

Es gibt Hinweise darauf, dass ein schwaches Magnetfeld vor Millionen von Jahren zur Entstehung von Leben geführt haben könnte.

Die Ediacara-Zeit, die vor etwa 635 bis 541 Millionen Jahren dauerte, war eine entscheidende Periode in der Erdgeschichte. Es war eine Ära des Wandels, in der komplexe, mehrzellige Organismen entstanden und den Weg für die Explosion des Lebens ebneten.

Doch wie kam es zu diesem Aufschwung des Lebens und welche Faktoren auf der Erde könnten dazu beigetragen haben?

Forscher der Universität Rochester haben überzeugende Beweise dafür gefunden, dass sich das Erdmagnetfeld in einem höchst ungewöhnlichen Zustand befand, als sich die makroskopische Fauna in der Ediacara-Zeit diversifizierte und blühte. Ihre Studie wurde veröffentlicht in Natur Kommunikation Erde und UmweltDies wirft die Frage auf, ob diese Schwankungen im alten Magnetfeld der Erde zu Veränderungen des Sauerstoffgehalts führten, die vor Millionen von Jahren möglicherweise entscheidend für die Fortpflanzung von Lebensformen waren.

Forscher der Universität Rochester untersuchten das Erdmagnetfeld während der Ediacara-Übergangszeit, die vor etwa 635 bis 541 Millionen Jahren dauerte. Die Forschung wirft Fragen darüber auf, welche Faktoren die Entstehung komplexer, vielzelliger Organismen wie Ediacara-Tiere vorangetrieben haben könnten, die für ihre Ähnlichkeit mit frühen Tieren bekannt sind. Bildnachweis: Illustration der University of Rochester/Michael Osadcio

Laut John Tarduno, William Kennan Jr. Professor am Department of Earth and Environmental Sciences, waren die Ediacara-Tiere eine der bekanntesten Lebensformen während der Ediacara-Zeit. Sie zeichneten sich durch ihre Ähnlichkeit mit frühen Tieren aus, von denen einige mehr als einen Meter groß und mobil waren, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise mehr Sauerstoff benötigten als frühere Lebensformen.

„Frühere Vorstellungen über die Entstehung dieser erstaunlichen Ediacara-Tiere beinhalteten genetische oder umweltbedingte Faktoren, aber der enge zeitliche Zusammenhang mit dem extrem schwachen Magnetfeld hat uns dazu veranlasst, Umweltprobleme zu überdenken, insbesondere den Sauerstoff in der Atmosphäre und den Ozeanen“, sagt Tarduno . Er ist außerdem Dekan für Forschung am College of Arts and Sciences und am College of Engineering and Applied Sciences.

Die magnetischen Geheimnisse der Erde

Etwa 1.800 Meilen unter uns fließt flüssiges Eisen in den äußeren Erdkern und erzeugt dort das schützende Magnetfeld des Planeten. Obwohl das Magnetfeld unsichtbar ist, ist es für das Leben auf der Erde unerlässlich, da es den Planeten vor dem Sonnenwind – den Strahlungsströmen der Sonne – schützt. Doch das Erdmagnetfeld war nicht immer so stark wie heute.

Die Forscher vermuteten, dass ein ungewöhnlich niedriges Magnetfeld zur Entstehung tierischen Lebens beigetragen haben könnte. Aufgrund der begrenzten Daten zur Magnetfeldstärke in dieser Zeit war es jedoch schwierig, den Zusammenhang zu untersuchen.

Ein fossiler Abdruck von Dickinsonia, einem Beispiel einer Ediacara-Fauna, gefunden im heutigen Australien. Bildnachweis: Shuhai Xiao, Virginia Tech

Tarduno und sein Team verwendeten innovative Strategien und Techniken, um die Stärke des Magnetfelds zu untersuchen, indem sie den Magnetismus untersuchten, der in alten Feldspat- und Pyroxenkristallen aus dem Anorthositgestein gefunden wurde. Kristalle enthalten magnetische Partikel, die die Magnetisierung seit der Entstehung von Mineralien aufrechterhalten. Durch die Datierung von Gesteinen können Forscher eine Zeitleiste für die Entwicklung des Erdmagnetfelds erstellen.

Profitieren Sie von fortschrittlichen Tools, einschließlich CO₂ Mithilfe von Lasern und einem SQUID-Magnetometer (Superconducting Quantum Interferometer) im Labor analysierte das Team sorgfältig die Kristalle und den darin enthaltenen Magnetismus.

Schwaches Magnetfeld

Ihre Daten deuten darauf hin, dass das Erdmagnetfeld während der Ediacara-Zeit zeitweise das schwächste bisher bekannte Feld war – bis zu 30-mal schwächer als das heutige Magnetfeld – und dass die extrem niedrige Feldstärke mindestens 26 Millionen Jahre lang anhielt.

Das schwache Magnetfeld geladener Teilchen der Sonne erleichtert es leichten Atomen wie Wasserstoff, sich aus der Atmosphäre zu lösen und in den Weltraum zu entweichen. Wenn der Wasserstoffverlust groß ist, verbleibt möglicherweise mehr Sauerstoff in der Atmosphäre, anstatt mit dem Wasserstoff zu Wasserdampf zu reagieren. Diese Reaktionen können im Laufe der Zeit zu einer Sauerstoffansammlung führen.

Ein Fossilabdruck von Fractofusus, einem Beispiel einer Ediacara-Fauna, wurde im heutigen Neufundland gefunden, mit einem kanadischen Penny in der Größe. Bildnachweis: Shuhai Xiao, Virginia Tech

Untersuchungen von Tarduno und seinem Team legen nahe, dass während der Ediacara-Zeit ein extrem schwaches Magnetfeld über einen Zeitraum von mindestens mehreren zehn Millionen Jahren zu Wasserstoffverlusten führte. Dieser Verlust könnte zu einem Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre und der Meeresoberfläche geführt haben, was die Entstehung fortschrittlicherer Lebensformen ermöglicht.

Tarduno und sein Forschungsteam hatten zuvor herausgefunden, dass das Erdmagnetfeld im späteren Kambrium, als die meisten Tiergruppen im Fossilienbestand auftauchten, wieder an Stärke gewann und das schützende Magnetfeld wiederhergestellt wurde, sodass das Leben gedeihen konnte.

„Wenn das sehr schwache Feld nach dem Ediacaran bestehen geblieben wäre, hätte die Erde ganz anders ausgesehen als der wasserreiche Planet heute: Der Wasserverlust hätte die Erde möglicherweise allmählich austrocknen lassen“, sagt Tarduno.

Grundlegende Dynamik und Evolution

Die Arbeit legt nahe, dass das Verständnis der Innenarchitektur von Planeten von entscheidender Bedeutung ist, um über das Potenzial für Leben außerhalb der Erde nachzudenken.

„Es ist erstaunlich zu glauben, dass Prozesse, die im Erdkern ablaufen, letztendlich mit der Evolution in Verbindung gebracht werden können“, sagt Tarduno. „Wenn wir die Möglichkeit von Leben anderswo in Betracht ziehen, müssen wir auch berücksichtigen, wie sich das Innere von Planeten bildet und entwickelt.“

Weitere Informationen zu dieser Forschung finden Sie unter Wie das schwache Magnetfeld der Erde die Entstehung komplexen Lebens vorangetrieben hat.

Referenz: „Der bevorstehende Zusammenbruch des Erdmagnetfeldes könnte zur atmosphärischen Sauerstoffanreicherung und Tierstrahlung im Ediacaran beigetragen haben“ von Wentao Huang, John A. Eric J. Blackman und Alexei V. Smirnoff, Gabriel Ahrendt und Rory D. Cottrell und Kenneth B. Kodama und Richard K. Bono und David J. Sepik, Yongxiang Li, Francis Nimmo, Shuhai Xiao und Michael K. Watkes, 2. Mai 2024, Erd- und Umweltkommunikation.
doi: 10.1038/s43247-024-01360-4

Diese Forschung wurde von der US National Science Foundation unterstützt.