1 Eine flache Linie
Ordnen wir diese Zeit zunächst in eine Zeitleiste ein, mit der wir etwas anfangen können.
Vor etwa 2,4 Milliarden Jahren brachte die Große Sauerstoffkatastrophe, von der im vierten Essay die Rede war, erstmals nennenswerte Mengen Sauerstoff in die Atmosphäre. Vor rund 700 Millionen Jahren fror die Erde dann mehrmals hintereinander zu einem Schneeball zu. Das Eis rückte bis zum Äquator vor.
Den Ausdruck „Schneeball Erde“ prägte 1992 Kirschvink vom California Institute of Technology in den USA. Er wollte etwas Merkwürdiges erklären: Manche Geröllschichten, die Gletscher hinterlassen hatten, waren ausgerechnet in der Nähe des damaligen Äquators entstanden. Später fiel auf, dass unmittelbar über den eiszeitlichen Ablagerungen häufig eine Schicht Karbonatgestein liegt, wie es sich nur in warmen Meeren bildet. Als hätte das Klima am Ende der Eiszeit mit einem Schlag die Seite gewechselt. Vor etwa 540 Millionen Jahren begann das Kambrium, und plötzlich bekamen die Tiere Schalen, Augen und Beine.
Zwischen der Großen Sauerstoffkatastrophe und der Schneeball-Erde liegt, von etwa 1,8 Milliarden bis 800 Millionen Jahren vor heute, ein Zeitraum von einer ganzen Milliarde Jahren. Er ist mehr als viermal so lang wie die Zeit vom Auftreten der Dinosaurier bis heute. Geologen gaben ihm einen Spitznamen: die langweilige Milliarde.
Die lange Zeit vor dem Kambrium fassen Geologen unter dem Namen Präkambrium zusammen. Sie macht fast neun Zehntel der Erdgeschichte aus. Und an ihr hängt eine große Frage.
Sauerstoff gelangte schon vor mehr als zwei Milliarden Jahren in die Atmosphäre, und auch Zellen mit Zellkern gab es längst. Tiere betraten die Bühne aber erst vor ungefähr 600 Millionen Jahren. Was tat das Leben während jener Milliarde Jahre dazwischen? Warum schob die Erde es nicht voran? Wer verstehen will, weshalb die Tiere so spät kamen, muss sich mit diesem Abschnitt beschäftigen.
Der Spitzname geht auf eine Reihe von Kalksteinen zurück. 1995 untersuchten die amerikanischen Forscher Buick, Des Marais und Knoll mehr als eine Milliarde Jahre alte Kalksteinschichten im Bangemall-Becken im Nordwesten Australiens. Sie maßen darin das Verhältnis von leichtem zu schwerem Kohlenstoff. Knoll gehört zu den bekanntesten Forschern über das Leben im Präkambrium. Im vierzehnten Essay werden wir ihm wieder begegnen.
Von diesem Messstab war im ersten und im vierten Essay schon die Rede: Lebewesen bevorzugen bei der Aufnahme von Kohlenstoff die leichtere Sorte. Das organische Material, das im Untergrund begraben wird, enthält deshalb viel leichten Kohlenstoff; im Meerwasser bleibt vergleichsweise schwerer Kohlenstoff zurück. Kalkstein, der sich im Meer ablagert, hält das damalige Verhältnis im Wasser fest. Misst man die Kohlenstoffisotope eines alten Kalksteins, lässt sich daraus indirekt erschließen, wie viel organischer Kohlenstoff damals begraben wurde, also in welchem Umfang die Biosphäre Kohlenstoff band und dauerhaft ablagerte.
Die Ergebnisse waren geradezu auffällig flach. Die Werte schwankten in einem sehr schmalen Bereich um einen Mittelpunkt; bei den meisten Proben waren die Abweichungen verschwindend klein. Und das beruhte nicht auf ein paar einzelnen Fundstücken: Das längste Profil war 2.500 Meter mächtig, die am weitesten voneinander entfernten Profile lagen rund 250 Kilometer auseinander, und die Proben deckten den Bereich von der Küste bis zum äußeren Schelf ab. In ihrer Arbeit bezeichneten die Forscher deshalb die Zeit vor etwa 1,6 bis 1 Milliarde Jahren als den eintönigsten Abschnitt der Erdgeschichte.
Auch eine flache Linie verlangt nach einer Erklärung. In anderen Erdzeitaltern springt die Kurve der Kohlenstoffisotope wie ein EKG auf und ab. Massenaussterben, Eiszeiten, Vulkanausbrüche: Sie alle hinterlassen darin Ausschläge. Über diese Milliarde Jahre hinweg verläuft die Kurve fast gerade.
Später sahen immer mehr Aufzeichnungen ähnlich flach aus. Großräumige Gletscherablagerungen fehlten nahezu ganz. Auch die Bändereisenerze mit ihren abwechselnd roten und schwarzen Lagen, die wir im vierten Essay kennengelernt haben, bildeten sich nur selten.
Die Tiefsee blieb lange sauerstoffarm. Die erkennbaren Fossilien von Eukaryoten waren wenig vielfältig und änderten sich langsam. So wurde aus einem Spitznamen nach und nach der Name einer Epoche.
Die Formulierung „langweilige Milliarde“ wird in der Fachwelt meist dem britischen Paläontologen Brasier von der Universität Oxford zugeschrieben. Brasier war dafür bekannt, Gewissheiten anzuzweifeln. 2002 stellte er öffentlich infrage, was damals als älteste Mikrofossilien der Erde galt: jene feinen Fäden in rund 3,5 Milliarden Jahre altem Hornstein aus Westaustralien. Diese „Bakterien“, meinte er, seien in Wahrheit mineralisch entstandene Trugbilder. Damit löste er eine Debatte aus, die viele Jahre dauern sollte.
2014 starb er bei einem Autounfall. In einem 2012 erschienenen Buch hatte er den Ausdruck verwendet; häufig heißt es deshalb, er habe ihn erfunden. Doch in den frühen, heute auffindbaren Facharbeiten lässt sich die Seite mit dem allerersten gedruckten Beleg nicht ausmachen. Gut möglich, dass der Ausdruck zunächst auf Tagungen und in Gesprächen die Runde machte. 2006 bezeichnete der damals fast achtzigjährige Geochemiker Holland von der amerikanischen Harvard University die Zeit vor etwa 1,85 Milliarden bis 850 Millionen Jahren in einem einflussreichen Übersichtsartikel als „offenbar ziemlich langweilig“. Danach wurde diese Einteilung vielfach aufgegriffen.
Sobald sie in einem Übersichtsartikel stand, lautete die Frage nicht mehr: „War diese Zeit überhaupt langweilig?“, sondern gleich: „Warum war sie langweilig?“ Aus einer Beobachtung, die man hätte prüfen müssen, wurde eine Voraussetzung, die es zu erklären galt. Heute findet sich der Spitzname in Lehrbüchern, populärwissenschaftlichen Büchern und Dokumentarfilmen. Viele Menschen hören von der mehr als eine Milliarde Jahre entfernten Erde zum ersten Mal in Form des Satzes: „Damals ist nichts passiert.“
Für denselben Zeitraum gibt es noch andere Namen. Jeder richtet den Blick auf etwas anderes. 2013 nannte ihn jemand die „karge Milliarde“ und betonte damit das Ausbleiben großer Vergletscherungen.
Tektoniker sprechen lieber vom „mittleren Alter der Erde“. Sie interessiert, wie die Kontinente wuchsen. Auch Anfang und Ende werden jeweils anders angesetzt: Die ursprünglichen Kalksteine stammen aus der Zeit vor 1,6 bis 1 Milliarde Jahren, Hollands Übersichtsartikel umfasst 1,85 Milliarden bis 850 Millionen Jahre vor heute. Zieht man die Seltenheit von Gletschern und Kohlenstoffisotopen-Anomalien als Grenze heran, landet man ungefähr bei 1,8 Milliarden bis 800 Millionen Jahren.
Dieser Essay stellt nur eine Frage: Wenn so viele Aufzeichnungen flach verlaufen, was genau ist dann flach? Hat sich die Welt während dieser Milliarde Jahre tatsächlich kaum verändert? Oder kann der Messstab, den wir an sie anlegen, ihre Veränderungen gar nicht erfassen?
Wir können nicht 1,6 Milliarden Jahre zurückreisen und das Meerwasser messen. Wir können nur etwas suchen, das aus jener Zeit übrig geblieben ist und dessen Eigenschaften mit der Größe zusammenhängen, die uns interessiert.
So etwas nennt man einen Proxy, einen Stellvertreter. Auch im Alltag benutzen wir solche Stellvertreter: Weil wir nicht in den Motor hineinschauen können, lesen wir die Kühlwassertemperatur ab. Ein Proxy hat den Vorteil, dass er messbar ist. Darin liegt zugleich seine Grenze: Gemessen wird nie die Sache selbst. Wir sehen nur den Schatten, den jene Milliarde Jahre nach mehrfacher Brechung hinterlassen hat.
2 Die Erde damals
Sehen wir uns zunächst an, wie die Erde damals aussah.
Die Tage waren kürzer als heute. In Xiamaling in der chinesischen Provinz Hebei gibt es rund 1,4 Milliarden Jahre alte schwarze Schiefer. Ihre Schichten folgen äußerst regelmäßigen Rhythmen: den Takten, die die Zyklen von Erdbahn und Erdrotation in den Ablagerungen hinterlassen haben.
Amerikanische Forscher errechneten 2018 aus diesen Takten, dass ein Tag damals nur etwa 18,7 Stunden dauerte. Der Mond stand der Erde näher als heute. Eine weitere Studie kam 2023 zu dem Schluss, dass die Verlangsamung der Erdrotation zwischen etwa zwei und einer Milliarde Jahren vor heute fast ganz aussetzte. Die Tageslänge verharrte lange bei ungefähr neunzehn Stunden. Selbst die Länge des Tages ergab während jener Milliarde Jahre eine flache Linie.
Ein näherer Mond bedeutet stärkere Gezeiten. Ebbe und Flut waren damals heftiger als heute; an den Küsten lagen breite, flache Wattflächen. Das auflaufende und abfließende Wasser hinterließ im Schlamm und Sand Gruppen abwechselnd dicker und dünner Lagen. Geologen können diese Lagen zählen und daraus auch zurückrechnen, wie viele Tage ein Monat damals hatte.
Das Land war kahl. Keine Pflanzen, keine Tiere, keine Würmer im Boden. Fels lag ungeschützt in Wind und Regen. Nur an Gewässern und an feuchten Stellen breitete sich vielleicht eine dünne Mikrobenmatte aus. Trocknete sie in der Sonne, bekam sie Risse; beim nächsten Regen weichte sie wieder auf.
Keine Pflanzenwurzeln hielten die Erde an den Flussufern fest. Die meisten Flüsse waren breit und flach, teilten sich in viele Arme und verlagerten ständig ihren Lauf. Ein einziger Regen konnte große Mengen Sand und Kies fortspülen. Wenn der Wind über das nackte Land strich, hielt nichts den aufgewirbelten Staub zurück. Im zwölften Essay wird es darum gehen, wie sich Flüsse und Böden allmählich veränderten, als Pflanzen das Land besiedelten.
In diesem Zeitraum fügten sich die Kontinente zunächst zum Superkontinent Nuna zusammen. Der Name stammt aus der Sprache der Inuit und bedeutet „Land rings um den nördlichen Ozean“; manche nennen ihn auch Columbia. Später zerbrach er. Vor etwa 1,1 Milliarden bis 900 Millionen Jahren setzten sich die Landmassen erneut zu einem Superkontinent zusammen: Rodinia.
Die Sonne leuchtete etwa ein Zehntel schwächer als heute, und in der Luft gab es bei Weitem nicht so viel Sauerstoff. Die Schätzungen verschiedener Methoden gehen weit auseinander. Zusammengenommen ergeben sie für den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre ungefähr ein Prozent bis einige Prozent des heutigen Werts.
Zum Vergleich: Selbst in der dünnen Luft auf dem Gipfel des Mount Everest steht noch ungefähr ein Drittel so viel Sauerstoff zur Verfügung wie auf Meereshöhe. Obwohl die Sonne schwächer war, fror die Erde nicht zu. Denn die Atmosphäre enthielt viel mehr Kohlendioxid als heute und möglicherweise auch mehr Methan. Die Erde lag gewissermaßen unter einer dicken Decke.
Das Meer war geschichtet. An der Oberfläche gab es etwas Sauerstoff, weiter unten bald keinen mehr. Der größte Teil der Tiefsee war sauerstofffrei, das Wasser enthielt viel gelöstes Eisen. An manchen besonders produktiven Schelfrändern zogen sich zudem giftige Wasserzonen mit Schwefelwasserstoff entlang.
Der Boden der flachen Meere gehörte den Stromatolithen. Diese steinernen Knubbel wachsen, wenn Mikroben Schicht um Schicht Sediment festhalten; im ersten Essay waren sie schon Thema. Manche sahen aus wie aufrechte Säulen, andere wie umgestülpte Schüsseln, wieder andere wie Gruppen von Kegeln.
In Nordchina sind einige der besten Gesteinsfolgen aus dieser Zeit erhalten. Von Peking über Tianjin bis zum Yanshan-Gebirge in Hebei erstreckte sich damals eine lange Meeresbucht. Über mehr als eine Milliarde Jahre lagerten sich dort mehrere Tausend Meter Kalkstein, Dolomit und Schiefer ab.
Chinesische Geologen gliedern die Schichten dieser Zeit in das Changcheng-, das Jixian- und das Qingbaikou-System. Die Namen stammen von klassischen Profilen in Nordchina. In Jixian bei Tianjin liegt eine fast zehntausend Meter mächtige mesoproterozoische Schichtenfolge. An den Felswänden sind überall säulenförmige Stromatolithen zu sehen. Schon in den 1980er-Jahren wurde das Gebiet zum nationalen Naturschutzgebiet erklärt und zu einem der Standardprofile für die Erforschung des Mesoproterozoikums. Gerade in dieser Zeit waren die Formen der Stromatolithen besonders vielfältig.
Lebende Stromatolithen gibt es noch heute. Im Hamelin Pool in der westaustralischen Shark Bay ist das Meerwasser so salzig wie Lake. Schnecken und kleine Würmer, die Mikroben fressen, können dort nicht überleben. Deshalb ist das flache Wasser voller grauschwarzer Stromatolithenstümpfe, wie eine Schar steinerner Pilze, die im Wasser hockt. So ungefähr dürfte es vor mehr als einer Milliarde Jahren vielerorts im flachen Meer ausgesehen haben. Nur gab es damals noch keine Tiere, die an ihnen weiden konnten. Sie mussten sich nicht in besonders salziges Wasser zurückziehen.
Vom Eis fehlt fast jede Spur, aber eben nur fast. Der Vergleich mit der späteren Schneeball-Erde macht den Unterschied deutlich: In der Gegend der Drei Schluchten des Jangtse in Hubei liegen die über 600 Millionen Jahre alten Tillite der Nantuo-Formation. Eine mehrere Dutzend bis über hundert Meter mächtige Geröllschicht, in deren Schlamm große und kleine Steine völlig ungeordnet stecken. Gletscher hatten sie von einem Kontinent abgeschabt, der damals in mittleren Breiten lag.
Für die Zeit vor 1,8 Milliarden bis 800 Millionen Jahren findet sich keine Tillitschicht dieses Ausmaßes. 2020 entdeckten Forscher der britischen Universität Aberdeen allerdings in rund eine Milliarde Jahre alten Seeablagerungen im Nordwesten Schottlands eine merkwürdige steinführende Lage.
Fünf Gerölle aus örtlichem Gestein, zwischen 3,5 und 9 Zentimeter lang, lagen über ungefähr 250 Meter verteilt in derselben Schicht. Sie hatten die Schlammlagen darunter eingedrückt und durchstoßen; die darüberliegenden Lagen hatten sich um sie herum abgelagert.
Gewöhnlich gibt es nur eines, das Steine auf diese Weise in den weichen Seegrund drückt: treibendes Eis. Eis schließt am Ufer Steine ein, treibt mit ihnen auf den See hinaus und schmilzt. Die Steine sinken ab und schlagen im Schlamm ein.
Der See lag damals ungefähr auf 35 Grad südlicher Breite, also ungefähr auf der Breite des heutigen Sydney. Entweder war es dort viel kälter als heute auf demselben Breitengrad, oder der See lag sehr hoch. Von einer einmal zugefrorenen Seeoberfläche bis zu einer großen Eiszeit ist es noch ein weiter Weg.
Sichtbar wurde diese Welt der Mikroben erst sehr spät. Darwin bereitete gerade die scheinbare Leere vor dem Kambrium Kopfzerbrechen. Um 1899 fand der Amerikaner Walcott in den alten Gesteinsschichten des Grand Canyon millimetergroße schwarze Scheibchen. Sie gehörten zu den ersten präkambrischen Fossilien, die eingehend beschrieben wurden. Doch viele glaubten nicht daran.
Die Wende kam 1954. Die Amerikaner Tyler und Barghoorn sahen unter dem Mikroskop in Hornsteinen vom Ufer des Oberen Sees in der kanadischen Provinz Ontario etwa 1,9 Milliarden Jahre alte faden- und kugelförmige Mikroorganismen. Ihre Gestalt war unmissverständlich zu erkennen. Erst in diesem Augenblick begann die Paläontologie des Präkambriums wirklich.
Die Hauptrolle im Meer spielten Bakterien, vor allem Cyanobakterien. In den sonnendurchfluteten oberen Wasserschichten betrieben sie Photosynthese und setzten das wenige vorhandene Sauerstoffgas frei. Zugleich woben sie am Grund der flachen Meere Schicht um Schicht ihre Matten, die sich langsam zu Stromatolithen auftürmten.
Und das übrige Leben? In den Meeren dieser Zeit gab es bereits eukaryotische Zellen, also Zellen mit Zellkern. Zu dieser Gruppe gehören heute Tiere, Pflanzen und Pilze.
Der fünfte Essay erzählte von ihrer Entstehung. Meist waren es Einzeller, unter dem Mikroskop kleine Kugeln mit Mustern, Fortsätzen oder Stacheln. Paläontologen nennen sie Acritarchen, sinngemäß „Formen ungeklärter Herkunft“. Bei vielen weiß man bis heute nicht genau, um welche Lebewesen es sich handelte.
Aus mehr als einer Milliarde Jahre alten Schiefern bei Ruyang in Henan stammt beispielsweise eine Gruppe großer Acritarchen, deren Oberfläche mit Gittern und Fortsätzen bedeckt ist. Sie erreichen Durchmesser von mehreren Hundert Mikrometern und lassen sich schon mit einer Lupe erkennen. Einige wenige Lebewesen wurden auch mehrzellig. Bangiomorpha und die 1,6 Milliarden Jahre alten Fossilien aus Nordchina, die in den Essays sechs und acht behandelt werden, lebten alle in diesem Zeitraum. Bangiomorpha stammt von der Somerset-Insel in der kanadischen Arktis und ist etwa eine Milliarde Jahre alt. Ihre Zellen reihten sich zu feinen Fäden aneinander, manche waren eigens für die Fortpflanzung zuständig. Wie im sechsten Essay beschrieben, gehört sie möglicherweise zu den ältesten bekannten Organismen mit sexueller Fortpflanzung.
Was also taten die Eukaryoten während dieser Milliarde Jahre? Lange lautete die Antwort: nicht viel. Ihre Fossilien waren wenig vielfältig, veränderten sich langsam, und auch unter den molekularen Fossilien fand man keine Spuren von ihnen. Im vierten Abschnitt werden wir sehen, wie diese Antwort 2023 umgeschrieben wurde.
3 Welche Stützen tragen die flache Linie?
Das Urteil „langweilig“ ist ein Tisch mit mehreren Beinen. Sehen wir sie uns einzeln an.
Die erste Stütze sind die Kohlenstoffisotope, und sie ist die solideste. Was ein Wert nahe null bedeutet, lässt sich überschlägig ausrechnen: Nach der einfachsten Rechnung wurde von jeweils fünf Teilen Kohlenstoff, die ins Meer gelangten, einer als organischer Kohlenstoff am Meeresgrund begraben; der Rest fiel als Kalkstein aus. Dieses Verhältnis ähnelt dem heutigen. Nach 1995 lieferten auch lückenlosere Schichtenfolgen aus zwei weiteren australischen Becken solche Aufzeichnungen mit geringen Ausschlägen.
In weltweiten Zusammenstellungen liegen die Kohlenstoffisotopenwerte der marinen Karbonate dieser Zeit insgesamt in einem schmalen Band um null. Die gewaltigen Ausschläge anderer Epochen, die sich von Becken zu Becken verfolgen lassen, haben hier keine Entsprechung von vergleichbarer Größe.
Die zweite Stütze ist der Sauerstoff. Dass sein Niveau „niedrig“ war, ist gut gesichert. Wie niedrig, darüber wird heftig gestritten. Chrom reagiert empfindlich auf Sauerstoff: Erst wenn davon genug in der Luft vorhanden ist, wird Chrom bei der Verwitterung an Land in eine wasserlösliche Form überführt und von Flüssen ins Meer gespült. Dabei verändert sich auch das Verhältnis seiner leichten und schweren Isotope. Eine Studie auf Grundlage von Chromisotopen kam 2014 zu dem Schluss, der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre könnte weniger als ein Tausendstel des heutigen Werts betragen haben.
Die Schiefer von Xiamaling enthalten viel organisches Material und kommen als Erdöl- und Erdgasmuttergestein infrage. Erdölgeologen untersuchten sie ursprünglich, um Öl zu finden. 2016 analysierten Zhang Shuichang und Kollegen vom chinesischen Forschungsinstitut für Erdölexploration und -entwicklung die Schiefer. Sie kamen zu dem Schluss, dass das Meerwasser dort vor etwa 1,4 Milliarden Jahren stellenweise zumindest genug Sauerstoff enthielt, um manche heute lebenden Schwämme atmen zu lassen. Das entspräche einem atmosphärischen Sauerstoffgehalt von mindestens ungefähr vier Prozent des heutigen Werts.
Dieser Vergleich geht auf ein Experiment zurück. 2014 hielten dänische Forscher eine verbreitete Schwammart in Wasser, dem sie nach und nach Sauerstoff entzogen. Der Schwamm konnte noch bei einem Sauerstoffgehalt von nur 0,5 bis 4 Prozent des heutigen Werts überleben. Dieselbe Epoche, verschiedene Proxys: Die Ergebnisse lagen um mehr als eine Größenordnung auseinander.
Jeder Proxy reagiert auf andere Vorgänge. Will man die Messwerte in dieselbe Größe, einen „Prozentsatz des heutigen atmosphärischen Sauerstoffs“, umrechnen, braucht man bei jedem Schritt ein Modell. Einer Schätzung von 2021 zufolge lag das langfristige Niveau ungefähr bei mindestens einem Prozent des heutigen Werts.
2025 gelang es sogar, in rund 1,4 Milliarden Jahre altem Steinsalz winzige eingeschlossene Bläschen uralter Luft direkt aufzuspüren. Sie lieferten einen Wert, der auf stärker oxidierende Bedingungen hinwies als das Bild eines dauerhaft extrem niedrigen Sauerstoffniveaus. Ein kleines Bläschen liefert eine sehr klare Momentaufnahme. Aber eben nur eine einzige. Ob die Werte davor und danach schwankten, verrät es nicht.
Die dritte Stütze ist die Struktur des Ozeans. Als Vergleich kann das heutige Schwarze Meer dienen: An der Oberfläche enthält es Sauerstoff, unterhalb von hundert bis zweihundert Metern nicht mehr; in der Tiefe ist das Wasser voller Schwefelwasserstoff. Nach der frühen Vorstellung sah der gesamte mesoproterozoische Ozean so aus: ein giftiges, schwefelwasserstoffreiches „Schwefelmeer“. Spätere Daten veränderten dieses Bild.
2015 trugen Sperling und Kollegen aus den USA rund 4.700 Schieferproben zusammen, die einen Zeitraum von fast zwei Milliarden Jahren abdeckten. Sie stellten fest, dass die Tiefsee während der hier behandelten Zeit überwiegend sauerstofffrei und eisenreich war. Andere Arbeiten schätzten, dass schwefelwasserstoffhaltige Wassermassen nur einen Saum entlang der Kontinentalschelfe bildeten. Sie bedeckten lediglich einige Prozent des Meeresbodens, vielleicht sogar weniger.
Die vierte Stütze sind die Eisenerze. Ein großer Teil des Eisenerzes, das heute weltweit abgebaut wird, stammt aus Bändereisenerzen, die vor mehr als zwei Milliarden Jahren entstanden. Solche Lagerstätten finden sich etwa bei Anshan in der chinesischen Provinz Liaoning und in der Hamersley Range im Westen Australiens.
Große Bändereisenerzlagerstätten entstanden während dieser Zeit tatsächlich nur selten. Wenig Eisenerz bedeutet allerdings nicht, dass das Meerwasser kein Eisen enthielt. Damit eine Lagerstätte entsteht, muss das Eisen an einen Ort gelangen, an dem es oxidiert, ausfällt und anschließend erhalten bleibt.
Auch in einer etwa 1,4 Milliarden Jahre alten Schichtenfolge gibt es eisenreiche Ablagerungen von beträchtlichem Umfang. Was in dieser Zeit fehlte, waren Gelegenheiten, bei denen sämtliche Voraussetzungen für eine große Lagerstätte gleichzeitig zusammenkamen.
Die fünfte Stütze ist das Eis. Wie im vorigen Abschnitt beschrieben, sind Belege für große Gletscher ungewöhnlich selten. Die Fallsteine in dem schottischen See zeigen nur, dass es örtlich Eis gab.
Die sechste Stütze ist die Vielfalt der eukaryotischen Fossilien. 2015 legten die amerikanischen Forscher Cohen und Macdonald eine Datenbank präkambrischer Eukaryotenfossilien an. Ihre Auswertung ergab, dass die einzelnen Fossilgemeinschaften während des Mesoproterozoikums bis vor etwa einer Milliarde Jahren jeweils nur wenige Arten enthielten.
Sie wiesen selbst darauf hin, dass die meisten Proben von ein und demselben alten Kontinent stammen und gerade die Zeit vor 1,6 bis 1,25 Milliarden Jahren kaum untersucht ist. Eine andere Studie erweiterte die Datengrundlage 2024 auf 263 stratigraphische Profile. Mit verschiedenen Verfahren korrigierte sie Altersunsicherheiten und Unterschiede im Probenumfang. Außerdem führte sie eine „Ausdünnung“ durch: Ein Teil der vorhandenen Proben wurde nach dem Zufallsprinzip weggelassen, um zu sehen, ob das Muster bestehen blieb.
Ein Muster, das nur bei einer hohen Probenzahl auftritt, verschwindet beim Ausdünnen. Ein echtes Muster bleibt. Selbst als der Datensatz auf ungefähr zweihundert Proben reduziert wurde, blieb das Bild einer langfristig geringen Artenzahl zwischen 1,8 Milliarden und 800 Millionen Jahren vor heute erhalten.
Ausgerechnet die letzte Stütze liefert keine flache Linie. Auch in dieser Zeit brachen Kontinente auseinander. Vor rund 1,27 Milliarden Jahren kam es im Norden Kanadas zu einem gewaltigen magmatischen Ereignis. Im Untergrund blieben Hunderte bis Tausende paralleler Gesteinsgänge zurück, die sich fächerförmig über mehr als dreitausend Kilometer erstrecken: der Mackenzie-Gangschwarm, der größte bekannte der Erde. Kontinente stießen zusammen und fügten sich aneinander. So entstand auch Rodinia vor etwa 1,1 Milliarden bis 900 Millionen Jahren. Der Name leitet sich vom russischen Wort für „Geburt“ ab; man nimmt an, dass die späteren Kontinente aus ihm hervorgegangen sind.
Der alte Grenville-Gebirgsgürtel im Osten Nordamerikas ist die Wurzel eines Gebirges, das bei dieser Vereinigung zusammengeschoben wurde. 2021 leitete eine Studie aus der Anomalie eines Elements in Zirkonkristallen ab, dass die kontinentale Kruste im mittleren Alter der Erde dünner geworden war und die Berge im Allgemeinen nicht sehr hoch waren. Sie stellte die These einer „orogenen Ruhephase“ auf, die zu geringer Verwitterung und unzureichendem Nährstoffeintrag geführt haben könnte.
Noch im selben Jahr widersprach eine andere Forschergruppe nach einer Zusammenschau metamorpher und magmatischer Befunde: Die Gebirgsbildung sei in diesem Zeitraum weltweit weitverbreitet und fast ununterbrochen gewesen. Ungewöhnlich sei die Gestalt der Gebirge. Die Erdkruste war damals sehr heiß. Heiße Kruste ist weich, weicht leicht zur Seite aus und lässt sich nicht zu so dicken, hohen Gebirgen auftürmen wie dem heutigen Himalaja. Die Platten waren die ganze Zeit in Bewegung. Nur die Berge wurden nicht hoch.
4 Die unsichtbare Welt der Eukaryoten
2023 veränderte eine Studie die Vorstellung von dieser Milliarde Jahren.
Brocks von der Australian National University, jener Geochemiker, der seine eigenen frühen Ergebnisse widerlegt hatte und von dem der fünfte Essay erzählte, untersuchte mit Kollegen die molekularen Fossilien in mehr als eine Milliarde Jahre alten Gesteinen erneut. Im fünften Essay haben wir eine Gruppe charakteristischer Moleküle in den Membranen eukaryotischer Zellen kennengelernt. Cholesterin ist eines davon. Sie können sehr lange im Gestein erhalten bleiben und dienen so als „Fingerabdruck“ der Eukaryoten. Früher fand man in Gesteinen, die älter als etwa 800 Millionen Jahre sind, fast keine solchen Fingerabdrücke. Daraus schloss man: Selbst wenn es damals schon Eukaryoten gab, waren sie selten. Das Meer gehörte im Wesentlichen den Bakterien.
Brocks und sein Team suchten anders. Eine heutige Zelle durchläuft bei der Herstellung von Cholesterin eine lange Fertigungsstraße. Zunächst entsteht ein langkettiges Molekül namens Squalen, das erstmals aus Haifischleberöl gewonnen wurde. Dann wird es zu vier miteinander verbundenen Ringen gefaltet und anschließend Schritt für Schritt zurechtgestutzt. Insgesamt sind es rund zwanzig Arbeitsschritte. Im vorderen Teil dieser Fertigungsstraße entstehen zunächst einfachere Zwischenprodukte.
Was, wenn die frühen Eukaryoten noch gar keine so lange Fertigungsstraße besaßen? Dann könnten sie solche Zwischenprodukte in ihren Membranen verwendet haben. Die Forscher suchten im Gestein nach diesen halbfertigen Molekülen. Und fanden große Mengen davon in Gesteinen aus der Zeit vor etwa 1,64 Milliarden bis 800 Millionen Jahren: weitverbreitet und in hoher Konzentration.
So trat eine bis dahin unsichtbare Welt der Eukaryoten hervor. In den Meeren jener Milliarde Jahre könnten die ganze Zeit große Mengen eukaryotischer Lebewesen gelebt haben. Sie nutzten frühe Versionen von Cholesterin und waren deshalb durch das bisher verwendete Suchraster gefallen.
Die Forscher nannten sie die „Protosterol-Biota“. Außerdem stellten sie fest, dass die Fingerabdrücke von Cholesterin nach heutiger Bauart erst vor etwa 800 Millionen Jahren in großen Mengen auftauchten. Von der älteren Gruppe hinterließ der Großteil keine Nachkommen.
Man hatte nichts gefunden, weil man nach dem Falschen gesucht hatte. Schon 2017 hatte das Team um Brocks in australischen Gesteinen festgestellt, dass die molekularen Fingerabdrücke von Algen nach dem Ende der ersten Schneeball-Eiszeit, vor etwa 650 Millionen Jahren, schlagartig zunahmen. Aus einem von Bakterien beherrschten Meer wurde ein von Algen beherrschtes Meer. Damit stand die Nahrung für die späteren Tiere bereit. Die halbfertigen Moleküle könnten allerdings auch andere Quellen haben, etwa bestimmte Bakterien. Das wird noch untersucht.
Auch unter den Körperfossilien gibt es immer wieder neue Funde. In etwa 1,6 Milliarden Jahre alten Dolomiten aus Zentralindien liegen faden- und blattförmige Fossilien, deren Zellstrukturen dreidimensional erhalten sind. 2017 machten Bengtson und Kollegen vom Schwedischen Naturhistorischen Museum mithilfe von Synchrotronstrahlung die regelmäßig angeordneten Zellen sichtbar. In manchen Zellen fanden sich sogar Strukturen, die an Pyrenoide erinnern, jene Körperchen in den Chloroplasten von Rotalgen, die bei der Stärkeherstellung helfen. Die Forscher hielten die Fossilien für mögliche Rotalgen. Sollte das zutreffen, wären sie über 500 Millionen Jahre älter als Bangiomorpha.
In der rund 1,56 Milliarden Jahre alten Gaoyuzhuang-Formation im Yanshan-Gebirge in Hebei entdeckten Zhu Shixing und Kollegen vom Geologischen Untersuchungszentrum Tianjin 2016 eine Gruppe kohliger Kompressionsfossilien. Manche waren lang gestreckt, andere blattförmig. Sie erreichten Längen von Zentimetern, sogar Dezimetern. Das ist ein starkes Indiz dafür, dass es damals bereits große mehrzellige Organismen gab. Zu welcher Gruppe sie gehörten, bleibt allerdings unklar.
Auch Pilze könnten schon dazugezählt haben. 2019 entdeckten Forscher in rund eine Milliarde Jahre alten Schiefern der kanadischen Arktis verzweigte Fäden und kleine Kugeln, deren Zellwände Bestandteile von Chitin enthielten. Sie hielten sie für mögliche Vertreter der ältesten bekannten Pilze.
In rund eine Milliarde Jahre alten Gesteinsschichten bei Dalian in Liaoning wurde 2020 eine verzweigte mehrzellige Grünalge entdeckt. Sie war nur zwei Millimeter lang. Von einem dünnen Faden gingen seitliche Äste ab, ganz ähnlich wie bei einer Gruppe von Grünalgen, die heute häufig auf Küstenfelsen wachsen. Möglicherweise gehört sie zu den ältesten bekannten Grünalgen. Unter den Grünalgen finden sich auch die fernen Vorfahren sämtlicher heutiger Landpflanzen.
Auch die einzelligen Acritarchen liefern eindeutige Belege für Eukaryoten. In etwa 1,5 Milliarden Jahre alten Schiefern Nordaustraliens findet sich ein Mikrofossil namens Tappania. Von seiner Zelloberfläche gehen Fortsätze aus, die sich ihrerseits verzweigen; neue Fortsätze können aus der alten Zellwand herauswachsen. Wer seine Zellwand nach Bedarf ab- und wieder aufbauen kann, braucht dafür ein Zellskelett und die Fähigkeit zum Membrantransport. Darüber verfügen nur eukaryotische Zellen.
Die Gene weisen in dieselbe Richtung. 2026 nahm eine weitere Studie die Gene der großen heute lebenden Eukaryotenlinien zum Ausgangspunkt, um zu errechnen, wann sich deren Wege getrennt hatten. Ihr Ergebnis: Seit dem Beginn des Mesoproterozoikums verzweigten sich die Abstammungslinien der Eukaryoten fortwährend weiter, obwohl die Kurve des fossilen Artenreichtums über lange Zeit niedrig und flach erscheint.
Eine Familie kann sich immer weiter in neue Haushalte aufteilen, während die Form ihrer Türschilder jahrhundertelang dieselbe bleibt. Wer die Türschilder zählt, sagt: Hier hat sich lange nichts verändert. Wer das Familienregister liest, sagt: Die Familie hat sich unentwegt verzweigt. Beide haben recht.
Eine Leerstelle war diese Milliarde Jahre also nicht. Um die Zeit vor 1,6 Milliarden Jahren gab es bereits mehrere mögliche Vertreter mehrzelliger Eukaryoten. Manche waren groß genug, um sie mit bloßem Auge zu sehen.
Vor etwa einer Milliarde Jahren finden sich dann mehrzellige Rot- und Grünalgen, die sich eindeutig einordnen lassen. Auch aus den sechshundert Millionen Jahren dazwischen gibt es reichlich Material. Nur wird bei jedem einzelnen Stück noch darüber gestritten, wohin es gehört.
Ebenso wenig ergab das Nährstoffangebot der Meere eine waagerechte Linie. 2017 untersuchte eine Studie die Stickstoffisotope entlang einer etwa 1,4 Milliarden Jahre alten Schichtenfolge in Nordaustralien, von der Küste bis ins offene Meer. Küstennah stand reichlich Stickstoff zur Verfügung, weiter draußen immer weniger. Im selben Meeresbecken lebten die Organismen an der Küste und die im offenen Wasser unter ganz unterschiedlichen Bedingungen. Eine globale Durchschnittskurve bügelt solche Unterschiede glatt.
Auch kurzfristige Oxidationsereignisse wurden nach und nach erkannt. Für die Zeit vor etwa 1,57 Milliarden, 1,4 Milliarden und 1,1 Milliarden Jahren berichteten verschiedene Studien von Signalen verstärkter Oxidation oder Verwitterung.
Zwei Vulkanascheschichten in den Xiamaling-Schiefern waren bereits 2015 datiert worden: auf etwa 1,392 und 1,384 Milliarden Jahre, jeweils mit einer Unsicherheit um eine Million Jahre. 2024 brachten Forscher eine Oxidationsstörung aus dieser Zeit mit der Verwitterung frischen Gesteins in Verbindung, das durch großräumigen Vulkanismus entstanden war. Wie groß diese Ereignisse waren, wie lange sie dauerten und ob sie weltweit gleichzeitig stattfanden, ist weiterhin umstritten.
5 Was die flache Kurve aussagt
Kehren wir zu der Schlusskette aus dem ersten Abschnitt zurück: Die Kohlenstoffisotope verlaufen flach, also bleibt der Anteil begrabenen organischen Kohlenstoffs gleich, also bleibt die Produktivität gleich, also verändert sich die Biosphäre kaum. Jeder Schritt scheint sich zwanglos aus dem vorigen zu ergeben. Das Problem ist nur: Auch die anderen Glieder dieser Kette können sich verändern.
2021 rechneten Forscher mit einem umfassenderen Modell des Kohlenstoffkreislaufs noch einmal nach. Selbst wenn die Kohlenstoffisotopenkurve über lange Zeit fast flach bleibt, kann sich der Anteil begrabenen organischen Kohlenstoffs demnach weit stärker verändern, als die einfache Schlussfolgerung vermuten lässt. Die Isotopenzusammensetzung des ins Meer gelangenden Kohlenstoffs, die jeweilige Verwitterung von Karbonaten und organischem Kohlenstoff, die Ablagerung von Karbonaten, die Größe der Kohlenstoffspeicher: Verändern sich mehrere dieser Größen zugleich, können sie sich am letzten Glied der Kette gegenseitig aufheben.
Es ist wie mit einer Personenwaage. Zeigt sie einen Monat lang denselben Wert an, lässt sich daraus nicht schließen, dass dieser Mensch einen Monat lang weder gegessen noch Sport getrieben hat. Vielleicht hat er viel gegessen und sich viel bewegt, und beides glich sich genau aus.
Eine Studie von 2026 lieferte dafür ein besonders schönes Beispiel. Für die Zeit vor rund 1,57 Milliarden Jahren zeigen die Isotopenaufzeichnungen von Strontium und Lithium eine deutliche Anomalie der Verwitterung an Land. Die Kohlenstoffisotope reagierten dagegen ziemlich verhalten.
Die Strontiumisotope verraten, woher das Strontium im Meerwasser stammt. Verwittert es aus altem kontinentalem Gestein heraus, ist es vergleichsweise schwer; stammt es aus Vulkanen am Meeresboden, ist es leichter. Das Verhältnis im Meerwasser wirkt wie eine Waage, die die Beiträge beider Quellen gegeneinander abwägt. Die Lithiumisotope reagieren dagegen empfindlich darauf, wie weit die Verwitterung fortgeschritten ist.
Wenn beide Zeiger ausschlagen, hat sich die Verwitterung an Land verändert. Doch die Kreisläufe der verschiedenen Elemente haben unterschiedlich große Speicher und reagieren unterschiedlich schnell. Der Kohlenstoffspeicher ist groß und träge. Ein Verwitterungsereignis von einigen Millionen Jahren kann in seiner Kurve nur als kleine Wölbung erscheinen. Zeichnet man allein die Kohlenstoffkurve, zeichnet man dieselbe Geschichte flacher.
Auch das spätere Schicksal der Stromatolithen gibt zu denken. 1971 stellte der Amerikaner Awramik fest, dass ihre Vielfalt im späten Präkambrium, vor etwa 700 bis 600 Millionen Jahren, deutlich zurückging.
Er schlug folgende Erklärung vor: Es waren Organismen aufgetaucht, die an den Mikrobenmatten weideten und die Baumeister dieser Steine Bissen für Bissen auffraßen. Lebende Stromatolithen sind heute größtenteils auf Winkel wie die Shark Bay beschränkt, in denen selbst Schnecken kaum überleben können.
Und noch eine Kurve verläuft in die entgegengesetzte Richtung. Zwischen etwa 1,2 Milliarden und 900 Millionen Jahren vor heute erreichten die Stromatolithenformen ihre größte Vielfalt im gesamten Proterozoikum. Sie lag weit über der Vielfalt eukaryotischer Fossilien aus derselben Zeit.
Die eine Kurve liegt in einem Tal, die andere auf einem Gipfel. Sie messen verschiedene Dinge: Die eine zählt, wie viele Arten von Eukaryoten sich erkennen lassen; die andere, wie viele unterschiedliche Formen die Mikrobenmatten hervorbrachten. Beide können stimmen.
Für die Vielfalt der Prokaryoten haben wir in Wahrheit überhaupt keine Kurve. Bakterien und Archaeen besitzen keine harten Gewebe, und ihre Formen sind einfach. In den mehr als eine Milliarde Jahre alten Kügelchen und Fäden lassen sich bestenfalls „Mikroorganismen“ oder „cyanobakterienähnliche Formen“ erkennen. Heutigen Arten zuordnen können wir sie nicht.
Stickstofffixierung, Sulfatreduktion, Methanbildung und Eisenkreisläufe haben aus dieser Zeit ihre Spuren im Gestein hinterlassen. Wir können erkennen, wo diese Stoffwechselvorgänge abliefen und in welchem Umfang. Wie viele Arten von Lebewesen diese Arbeiten erledigten, können wir dagegen nicht zählen. Die Behauptung, auch die Prokaryoten hätten eine Milliarde Jahre lang stagniert, lässt sich mit den vorhandenen Daten nicht begründen.
Manche flachen Verläufe haben diesen Korrekturen standgehalten. Große Kohlenstoffisotopen-Anomalien, die sich über mehrere Becken verfolgen lassen, fehlen tatsächlich. Zeugnisse großer Gletscher sind tatsächlich selten, ebenso große Eisenerzlagerstätten. Die Tiefsee blieb über lange Zeit sauerstofffrei und eisenreich. Und auch nach dem Ausdünnen bleibt die Artenzahl eukaryotischer Fossilien langfristig niedrig.
Das ist wie bei einem Aktienindex. Wenn sich der Index in zehn Jahren kaum bewegt, heißt das nicht, dass sich jede einzelne Aktie darin kaum bewegt hat. Manche haben ihren Wert vervielfacht, andere sind abgestürzt, und zusammen gleichen sich Gewinne und Verluste gerade aus. Ebenso kann eine globale Durchschnittskurve viele örtliche Veränderungen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen, zu einer geraden Linie verrechnen.
Auf der ersten Ebene war der langfristige Durchschnittszustand tatsächlich stabiler als in vielen anderen Erdzeitaltern. Die zweite Ebene hingegen, Ereignisse im Maßstab von Millionen bis hin zu einigen zehn Millionen Jahren und regionale Unterschiede innerhalb ein und desselben Meeres, wurde früher deutlich unterschätzt.
6 Auflösung
Jetzt können wir die Frage zuspitzen: Hätte sich damals etwas Großes ereignet, das ein paar Millionen Jahre dauerte, könnten wir es überhaupt sehen?
Das Problem liegt nicht bei der radiometrischen Datierung an sich. In guten Profilen mit Vulkanasche erreicht die hochpräzise Datierung inzwischen Unsicherheiten von plus/minus fünfhunderttausend bis einer Million Jahren. In dieser Größenordnung liegen auch die beiden Ascheschichten von Xiamaling.
Der neunte Essay erklärt, warum Zirkon in Vulkanasche eine natürliche Uhr ist. Die meisten Sedimentschichten enthalten allerdings keine Vulkanasche. Damit Asche als klar erkennbare Lage erhalten bleibt, muss sie in ruhiges Wasser fallen und rasch zugedeckt werden. Auf einer Sandbank wird sie meist von den Wellen zerstreut, an Land von Wind und Regen fortgetragen. Gewöhnlicher Schlamm und Sand enthalten Minerale, die von anderswo herangeschafft wurden. Misst man deren Alter, erhält man das ursprüngliche Alter der Minerale und nicht den Zeitpunkt, zu dem sich diese Schicht ablagerte.
Wo Vulkanasche fehlt, kann man eine Schicht nur zwischen den nächstgelegenen Aschelagen darüber und darunter zeitlich einklammern. Liegen zwischen diesen beiden Nägeln in der Zeitachse hundert Meter Gestein, teilen sämtliche Schichten dazwischen denselben breiten Unsicherheitsbereich.
Außerdem fehlen im Buch der Gesteinsschichten manchmal Seiten. Eine scheinbar durchgehende Folge kann eine Schichtfläche enthalten, an der die Ablagerung zeitweilig aussetzte oder eine Strömung ein Stück wieder abtrug. Dann fehlen zwischen zwei benachbarten Schichten Hunderttausende, vielleicht sogar Millionen Jahre. Mit bloßem Auge ist das oft nicht zu erkennen.
Geologen nennen das einen Hiatus, eine Ablagerungslücke. Je mehr solcher Lücken ein Profil enthält, desto eher kann eine scheinbar ruhige Kurve aus mehreren aneinandergesetzten Bruchstücken bestehen.
Auch die Abstände der Proben täuschen. Bei den Kalksteinen der Untersuchung von 1995 lagen die Proben in der Regel zehn bis zwanzig Meter auseinander. Zehn Meter sind ein räumlicher Abstand. Die Ablagerungsgeschwindigkeit verändert sich: im tiefen Wasser anders als im flachen, bei ruhigem Wetter anders als in Sturmzeiten. Dieselben zehn Meter können zehntausend Jahre bedeuten oder eine Million. Ohne eine verlässliche Zuordnung von Alter und Tiefe verrät die Zahl der Meter nicht, wie viele Jahre dazwischenliegen.
Der größte Unterschied zu späteren Erdzeitaltern liegt häufig nicht in den Instrumenten, sondern in den Fossilien. Im Phanerozoikum gibt es viele Fossilien von Arten, die nur einige Hunderttausend Jahre existierten. Steckt eines davon in einer Schlammschicht, grenzt es deren Alter ein.
Die Ammoniten, von denen der elfte Essay handelt, sind solche Uhren. Sie veränderten sich rasch und waren weitverbreitet. Mithilfe von Ammoniten lassen sich jurassische Schichten in Abschnitte von jeweils einigen Hunderttausend Jahren einteilen. Dem Mesoproterozoikum fehlen derart dicht gesetzte Zeitmarken. Vergleicht man einen Punkt in einer Schichtenfolge weltweit mit anderen, kann sein zeitliches Zuordnungsfenster deshalb viel breiter sein als die Unsicherheit seiner Altersmessung im Labor.
Noch größer ist der Unterschied bei den Altersankern. In den am besten erforschten phanerozoischen Gesteinsfolgen stehen innerhalb einer Million Jahre oft mehrere datierte Vulkanascheschichten oder Fossilzonen zur Verfügung, an denen sich die Chronologien abgleichen lassen.
In vielen mesoproterozoischen Becken gibt es dagegen für mehrere zehn Millionen Jahre nur ein oder zwei verlässliche Altersangaben. Die Zahlen klingen beachtlich: 4.700 Schieferproben, mehr als zehntausend Kohlenstoffisotopenmessungen, 263 Profile. Aber diese Zahlen sind nicht gleichbedeutend mit mehr als zehntausend gleichmäßig verteilten Punkten auf der Zeitachse.
Hunderte Proben können sich auf einige wenige Becken konzentrieren, die gut erhalten, leicht erreichbar und bereits durch Bohrungen erschlossen sind. Gleichzeitig werden Dutzende jeweils eine Million Jahre lange Zeitabschnitte nur von ein oder zwei Profilen erfasst. Die Probendichte muss man mindestens in vier Größen zerlegen: Anzahl der Proben, Anzahl unabhängiger Profile, Anzahl unabhängig vertretener alter Kontinente und Anzahl unabhängiger Altersanker pro Million Jahre.
Am stärksten mangelt es im Mesoproterozoikum an den letzten beiden Größen. Genau sie bestimmen auch die Auflösung. Ein paar zusätzliche Proben zu nehmen, kostet einige Tage. Ein neues Profil mit verlässlich bestimmbarer Chronologie zu finden, kann Jahre dauern. Wie genau ein Abschnitt der Erdgeschichte erforscht ist, hängt zum Teil davon ab, auf welchem Stück Land in welchem Staat er erhalten geblieben ist.
Die Rhythmen in den Gesteinsschichten gehen auf periodische Veränderungen der Erdbahn zurück. Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts berechnete der serbische Ingenieur Milanković während seiner Internierung im Ersten Weltkrieg mit Papier und Bleistift, wie die Exzentrizität der Erdbahn sowie die Neigung und das Taumeln der Erdachse die Sonneneinstrahlung in verschiedenen Breitengraden periodisch verändern. Diese Zyklen hinterlassen ihren Takt im Klima und in den aufeinanderfolgenden Sedimentschichten. Geologen nutzen sie als eine weitere Uhr.
Gute Profile lassen tatsächlich sehr feine Veränderungen erkennen. Die zentimeter- bis metergroßen Rhythmen in den Xiamaling-Schiefern stammen von den Zyklen der Erdbahn. Genau daraus wurde die Tageslänge von 18,7 Stunden abgelesen, die im zweiten Abschnitt vorkam. Die Information muss also nicht fehlen. Es gibt nur viel zu wenige Profile, die eine solche Kontinuität mit einer unabhängigen Alterskalibrierung verbinden.
Auch Karbonatgestein selbst kann nachträglich umgeschrieben werden. Sobald Kalkstein im Untergrund liegt, wird er immer wieder von durchströmendem Grundwasser getränkt und kristallisiert neu. Spätere Fluide können einen Teil der ursprünglich gespeicherten Kohlenstoffisotopeninformation unbemerkt verändern. Geologen müssen jede einzelne Probe prüfen und die wenig veränderten auswählen, bevor sie daraus guten Gewissens eine Kurve zeichnen können.
Damit lässt sich eine abgestufte Antwort geben. Ein örtliches Profil mit rascher Ablagerung, Vulkanasche und eng gesetzten Proben: Hier besteht gewöhnlich eine gute Chance, Ereignisse im Maßstab einer Million Jahre zu erkennen.
Ein Becken, für das nur das Alter an Ober- und Untergrenze bekannt ist: Hier kann ein Ereignis von einigen Millionen Jahren in ein Unsicherheitsfenster von mehreren zehn Millionen Jahren gepresst werden. Mehrere Becken, die alle eine Anomalie verzeichnen: Selbst dann lässt sich wegen der Unsicherheit beim zeitlichen Abgleich womöglich nicht beweisen, dass es sich um dasselbe Ereignis handelt.
Ein Beispiel. Angenommen, vor 1,4 Milliarden Jahren hätte es eine kleine Eiszeit von zwei Millionen Jahren Dauer gegeben. Sie hinterließ nur eine dünne Lage glazialer Ablagerungen, die ausgerechnet in einem Altersfenster mit mehreren zehn Millionen Jahren Unsicherheit liegt. Eine Erwärmung anderswo innerhalb desselben Fensters könnte beim weltweiten Vergleich dann als gleichzeitig gelten. Beide würden einander aufheben, oder man täte sie kurzerhand als örtliche Erscheinungen ab. Betrachtet man nur einen einzigen trägen Proxy, kann ein Ereignis sogar vollständig so aussehen, „als hätte es nie stattgefunden“.
7 Ein Vergleich, der sich lohnt
Das lässt sich auf ziemlich geradlinige Weise prüfen.
Man nehme einen Abschnitt des Phanerozoikums, von dem wir sicher wissen, dass er voller kurzfristiger Ereignisse steckt. Zum Beispiel die zwanzig Millionen Jahre um das Aussterben der Dinosaurier. Darin liegen mindestens ein Massenaussterben, ein extremes Hitzeereignis vor etwa 56 Millionen Jahren, bei dem die Erde plötzlich um fünf bis acht Grad Celsius wärmer wurde, und mehrere kleinere Klimaschwankungen. Jedes dieser Ereignisse hinterließ in den Kohlenstoffisotopen einen deutlichen Ausschlag.
Nun reduziert man künstlich die Anzahl der Profile auf das Niveau des Mesoproterozoikums, vergrößert die Altersunsicherheiten auf mehrere Millionen Jahre und verringert sowohl die Probenzahl pro Million Jahre als auch die geographische Abdeckung. Dann zeichnet man die Kurven mit derselben Methode neu. Werden auch sie zu flachen, ziemlich „langweiligen“ Linien?
Die Methoden liegen bereit: Ausdünnung, Standardisierung, Vergrößerung der Fehlerbereiche. Alles ist in der Fachliteratur beschrieben. Auch das Material bietet eine Grundlage: Aus dem Phanerozoikum gibt es zahlreiche Profile mit ausgezeichnet gesicherter Chronologie. Hier wird vorgeschlagen, beides zu einem konkreten Vergleich zu verbinden. Ob eine genau entsprechende Untersuchung bereits existiert, müsste eigens recherchiert werden; dieser Essay kann nicht behaupten, niemand habe sie je durchgeführt.
Am nächsten kommen ihm drei Gruppen von Arbeiten, die allerdings jeweils andere Fragen beantworten. Die Studie von 2015 prüfte die präkambrische Diversitätskurve mit Randomisierungsverfahren und fand, dass Schwankungen auf kleinen Skalen sehr instabil waren. Sie zog jedoch das Phanerozoikum nicht als Vergleich heran.
Die Studie von 2024 dünnte die Daten innerhalb des Präkambriums aus. Ihre Frage lautete: „Wenn man von den ohnehin wenigen Daten noch mehr wegnimmt, bricht dann das Muster zusammen?“ Die Antwort: im Wesentlichen nicht. Das ist die umgekehrte Fragerichtung. Hier wollen wir wissen: „Wird etwas, von dem wir wissen, dass es nicht flach ist, flach, wenn wir die Datenqualität herabsetzen?“ Die dritte Gruppe umfasst statistische Bearbeitungen der Kohlenstoffisotopenaufzeichnungen, die Unsicherheiten auf der Zeitachse berücksichtigen. Auch sie liefern keinen vollständigen Vergleich mit absichtlich verschlechterten Daten.
Dieses Experiment kann zwei Ergebnisse haben, und beide hätten Gewicht. Wird auch das Phanerozoikum nach der Verschlechterung völlig flach, könnte ein beträchtlicher Teil der „langweiligen Milliarde“ ein Erzeugnis unserer Messstäbe sein.
Ragen die großen Ereignisse dagegen auch danach noch klar aus den Kurven heraus, ist es wahrscheinlicher, dass die flachen Verläufe des Mesoproterozoikums wirklich flach waren. Jedes der beiden Ergebnisse würde die Debatte einen großen Schritt voranbringen.
Dazu müssten Stratigraphen, Geochemiker und Statistiker an einem Tisch zusammenkommen. Andere Fachgebiete haben Ähnliches getan. Forscher, die das Klima der letzten Hunderttausende von Jahren untersuchen, „verwischen“ häufig eine hochaufgelöste Eisbohrkernaufzeichnung künstlich so, wie es bei Meeressedimenten geschieht. Dann schauen sie, was von einem Klimasprung über wenige Jahrhunderte übrig bleibt, wenn er im Schlamm des Meeresbodens steckt. Für die hier gestellte Frage zum Präkambrium lohnt es sich, dieses absichtliche Verschlechtern guter Aufzeichnungen als klar definierten, nachvollziehbaren Vergleich auszuarbeiten.
„Eine geringere Auflösung verwischt Ereignisse“: Das steht in der stratigraphischen Statistik außer Frage. „Eine Verschlechterung auf das Niveau des Mesoproterozoikums reicht aus, um die gesamte langweilige Milliarde zu erzeugen“: Das verlangt eine konkrete Prüfung durch einen solchen Vergleich und folgt nicht einfach aus dem ersten Satz. Der Ausdünnungstest von 2024 zeigt immerhin, dass das grobe Bild einer langfristig geringen Artenzahl eukaryotischer Fossilien gegenüber einer weiteren Verringerung der Probenzahl recht robust ist.
Der nächste Schritt ist, diesen Vergleich tatsächlich durchzuführen. Methoden und Daten bieten eine Grundlage. Doch Proben zusammenzustellen, Datierungen abzugleichen und vergleichbare Erhaltungsbedingungen zu finden bleibt aufwendige Arbeit. Eine prüfbare Frage ist noch keine kostenlose Prüfung.
Wenn diese Zeit tatsächlich vergleichsweise stabil war, was hielt sie stabil? Auch dafür stehen mehrere Erklärungen nebeneinander. Die häufigste ist eine Begrenzung durch Nährstoffe: Schwache Verwitterung, wenig Phosphor, den die Flüsse ins Meer brachten. Im sauerstofffreien, eisenreichen Meerwasser wurde Phosphor zudem an Eisenminerale gebunden und mit ihnen entfernt. Wenig Phosphor bedeutete geringe Produktivität im Meer und damit auch wenig netto erzeugten Sauerstoff. Heutige Algenblüten in Seen zeigen genau die Kehrseite dieses Mechanismus: Abwässer aus Haushalten und Abfluss von Ackerflächen schwemmen große Mengen Phosphor in den See, und die Algen wachsen wie verrückt.
Auch beim Stickstoff könnte es geklemmt haben. 2002 schlugen die amerikanischen Forscher Anbar und Knoll eine raffinierte Verkettung vor: Um Stickstoff aus der Luft zu binden, brauchen Bakterien ein molybdänhaltiges Enzym. In sauerstofffreiem, schwefelwasserstoffhaltigem Meerwasser wird Molybdän jedoch in großen Mengen gebunden und am Meeresboden begraben.
Weniger Molybdän erschwert die Stickstofffixierung. Dann steht weniger nutzbarer Stickstoff zur Verfügung, und eukaryotische Algen kommen nicht recht zum Wachsen. Ein Metall, das nur in Spuren gebraucht wird, könnte den Takt einer ganzen Biosphäre gebremst haben.
Eine andere Erklärung setzt bei Tektonik und Verwitterung an: niedrige Berge, wenig freigelegtes frisches Gestein, langsame Verwitterung. Wieder eine andere richtet den Blick auf die Länge des Tages. 2021 untersuchten deutsche und amerikanische Forscher eine violette Mikrobenmatte in einem Einsturztrichter am Grund des Huronsees in den USA. Das dortige Wasser ist sauerstoffarm und schwefelreich, ganz ähnlich wie in den flachen Meeren der Frühzeit.
Sie stellten fest, dass die Mikrobenmatte bei längeren Tagen mehr Sauerstoff an das Wasser abgibt. Die sauerstoffproduzierenden Bakterien müssen jeden Morgen warten, bis die über ihnen liegenden Schwefelbakterien zur Seite rücken, ehe sie anfangen können. Auch der Sauerstoff braucht Zeit, um aus der Matte herauszudiffundieren. Bei kurzen Lichtphasen wird es schon wieder dunkel, bevor größere Mengen austreten können. Sollte die Tageslänge vor mehr als einer Milliarde Jahren lange bei ungefähr neunzehn Stunden verharrt haben, wäre das möglicherweise einer der Gründe, weshalb der Sauerstoff so lange nicht zunahm.
Die letzte Erklärung betont negative Rückkopplungen: Sobald etwas mehr Sauerstoff vorhanden war, wurde er verstärkt von Eisen, Schwefel und vulkanischen Gasen verbraucht. So blieb er auf niedrigem Niveau festgehalten.
Auch das Ende der „Langeweile“ liefert einen Hinweis. Vor ungefähr 800 Millionen Jahren begann der Superkontinent Rodinia auseinanderzubrechen. Auf einmal entstanden viele neue Küsten und Flachmeere, und große Basaltflächen wurden an die Oberfläche gehoben, wo sie verwittern konnten.
Vor rund 810 Millionen Jahren sank die Kohlenstoffisotopenkurve zum ersten Mal seit mehreren hundert Millionen Jahren kräftig ab. Weil die Anomalie zuerst in der Bitter-Springs-Formation in Zentralaustralien erkannt wurde, heißt sie Bitter-Springs-Anomalie. Danach begann die Kurve wieder heftig auszuschlagen, und bald folgte die Schneeball-Erde. Die Stelle, an der die flache Linie abbricht, bietet einen Vergleichspunkt, um zu verstehen, weshalb sie so lange flach geblieben war.
All diese Erklärungen sind plausibel. Die Schwierigkeit ist, dass sie nur allzu leicht alles erklären können: Fast jede Beobachtung lässt sich irgendeiner Rückkopplung oder Störung zuschreiben. Damit man sie prüfen kann, müsste vorher klar sein, welche Rückkopplung auf welcher Zeitskala wirkt und was ohne sie ausbleiben würde. Die Oxidationspulse vor 1,57 und 1,4 Milliarden Jahren sind Prüfsteine für die Annahme starker Rückkopplungen. Wenn diese wirklich so stark waren, warum ließ sich das System dann überhaupt aus dem Gleichgewicht stoßen?
8 Flach ist die Kurve
Was diese Reihe Aufbau nennt, läuft letztlich darauf hinaus, eine Linie zu ziehen: Innerhalb der Linie zählt etwas, außerhalb zählt es nicht. Die Linie kann von Menschen gezogen sein, etwa durch einen Satz von Kriterien, oder von der Natur, etwa durch eine Membran.
In diesem Essay besteht der Aufbau aus Kurven: Kohlenstoffisotope, Schätzungen des Sauerstoffgehalts, Erscheinungsformen des Eisens, Artenreichtum der Fossilien, Verteilung der Tillite, Häufigkeit von Eisenerzlagerstätten. Was sich messen lässt, liegt innerhalb der Linie. Was sich nicht messen lässt, liegt außerhalb.
In den vorigen Essays lag der Aufbau meist aufseiten dessen, was beschrieben wurde: die Definition des Lebens, die Wurzel des Lebensbaums, Membranen, die Chemie eines Planeten, eine Einheit auf höherer Ebene. Hier liegt er aufseiten derer, die beschreiben. Die „langweilige Milliarde“ ist ein Urteil, das aus Kurven, Probenahme, Altersmodellen und der Empfindlichkeit von Proxys gemeinsam hervorgeht. Von diesen vier Dingen stammt nur das erste unmittelbar aus jener Zeit. Die übrigen drei gehören zu unserer eigenen Apparatur.
Nimmt man das auseinander, ergibt sich eine Antwort auf drei Ebenen. Manche flachen Verläufe sind echt und haben den Korrekturen standgehalten: das Ausbleiben großer Kohlenstoffisotopen-Anomalien, die Seltenheit großer Gletscher und großer Eisenerzlagerstätten, die langfristig sauerstofffreie, eisenreiche Tiefsee, die dauerhaft geringe Artenzahl der Eukaryotenfossilien.
Andere lösen sich auf, sobald man näher herangeht: Die Redoxverhältnisse bestanden aus räumlichen Unterschieden und Pulsen vor einem niedrigen Hintergrund. Die Platten bewegten sich unentwegt, nur die Berge wurden nicht hoch. Stickstoff zeigte starke Gradienten innerhalb ein und desselben Meeresbeckens. Eukaryoten waren zahlreich, sie benutzten nur andere Moleküle als heute. Und manche flachen Verläufe haben keine eindeutige Bedeutung: Aus einer flachen Kohlenstoffkurve lässt sich nicht unmittelbar eine unveränderte Biosphäre ablesen. Flach heißt nur, dass dieser Proxy sich nicht verändert hat.
Den Teil, den der Aufbau nicht fassen kann und der sich dennoch nicht beseitigen lässt, nennt diese Reihe den Rest. In diesem Essay gibt es zwei Arten davon. Zunächst ein ergänzender Beleg: Die von Brocks entdeckten Eukaryoten, die frühe Formen von Cholesterin nutzten, waren vor 800 Millionen Jahren größtenteils verschwunden. Sie hinterließen keine Nachkommen in der heutigen Welt. Sie hinterließen Moleküle im Gestein, aber keine Abstammungslinien in der lebenden Welt. Sie sind ein anschauliches Beispiel jener Abwesenheit, um die es im zweiten Essay ging. Nur hatten sie diesmal zufällig eine Visitenkarte im Gestein hinterlassen.
Die erste Art von Rest ist die flache Kohlenstoffkurve selbst. Sie ist eine echte Aufzeichnung, gut erhalten, mehr als zehntausendmal gemessen. So sieht sie nun einmal aus. Sie enthält nur nicht die Information, die wir von ihr verlangen: Hat sich die Biosphäre verändert oder nicht? Das ist jene Form der Abwesenheit, die der elfte Essay genauer unterscheiden wird: Es gibt Überreste, aber die Überreste tragen nicht die Eigenschaft, nach der wir fragen.
Die zweite Art betrifft den vorgeschlagenen Vergleich: Daten des Phanerozoikums auf das Niveau des Mesoproterozoikums auszudünnen und das Ergebnis konkret zu prüfen. Bewährte Methoden und vorhandene Daten bieten einen Anfang. Ob beide Datensätze hinreichend vergleichbar sind, muss jedoch Punkt für Punkt geklärt werden.
Aus „noch nicht geprüft“ darf nicht einfach „unerkennbar“ werden. Ein solcher Vergleich liefert vielleicht keine eindeutige Antwort. Er kann trotzdem helfen, Lücken der Geschichte selbst von Lücken durch die Auflösung der Überlieferung zu unterscheiden. Antworten müssen aus Ergebnissen kommen, nicht aus dem Versprechen, was diese ergeben werden.
Brasier schrieb zu Lebzeiten ein Buch über jene „Leere vor dem Kambrium“, die Darwin so beunruhigt hatte. Es trägt den Titel „Darwin’s Lost World“, Darwins verlorene Welt. Darin geht es genau um die Spuren, die in dieser scheinbar leeren Geschichte verborgen sind, und darum, wie Menschen Schritt für Schritt lernten, sie zu lesen.
Warum kamen die Tiere so spät? Dazu stehen sich zwei Auffassungen scharf gegenüber. Die eine sieht den Grund im Sauerstoffmangel: Große, bewegliche Tiere verbrauchen viel Sauerstoff. Erst ungefähr zur Zeit der Schneeball-Erde sei sein Gehalt auf ein ausreichendes Niveau gestiegen.
Die andere Seite verweist auf das Schwammexperiment. Einfache Tiere benötigen demnach sehr wenig Sauerstoff, und manche Meeresgebiete dürften schon vor mehr als einer Milliarde Jahren genug davon enthalten haben. Was die Tiere zurückhielt, sei etwas anderes gewesen: Nährstoffe, ökologische Bedingungen oder ein noch unvollständiger genetischer Werkzeugkasten für die Entwicklung. Um die Zeugnisse dieser Milliarde Jahre ringen deshalb beide Seiten.
Diese Milliarde Jahre hat der späteren Welt auch etwas hinterlassen. Die sexuelle Fortpflanzung aus dem sechsten Essay, die Vielzelligkeit aus dem achten, Rot- und Grünalgen, die Fertigungsstraße für Cholesterin in eukaryotischen Zellen: All das nahm in dieser „langweiligen“ Zeit seinen Anfang oder seine feste Gestalt an. Als die Tiere später die Bühne betraten, standen sie auf den Schultern dieser Milliarde Jahre.
Manche nennen sie lieber das „mittlere Alter der Erde“. Wer selbst in der Mitte des Lebens steht, dessen Tage sehen von außen oft ziemlich gleich aus: derselbe Arbeitsweg, dieselbe Arbeit, Jahr für Jahr ähnliche Zahlen auf dem Befundbogen der Vorsorgeuntersuchung.
Doch im Körper gehen die Veränderungen unablässig weiter. Nur langsam, nur außerhalb jener wenigen Messwerte. Vielleicht war die Erde vor mehr als einer Milliarde Jahren genau solch ein Mensch mittleren Alters.
Anfangs war der Name nur der Eindruck dreier Forscher von einer Reihe Kalksteine. Dann wurde er zum Etikett einer ganzen Epoche erweitert, später zu einer erklärungsbedürftigen Ausnahmeerscheinung. Heute zerlegt man ihn wieder in einzelne Aussagen, die sich getrennt prüfen lassen. Vor etwa 1,4 Milliarden Jahren dauerte ein Tag gut achtzehn Stunden. Im Meer drängten sich eukaryotische Zellen mit frühen Formen von Cholesterin, und am Grund der flachen Meere standen ganze Felder säulenförmiger Stromatolithen. Vielleicht war diese Welt lebhafter, als ihr Spitzname vermuten lässt.
Die Kriterien sieben weiter. Die Profile werden erneut beprobt. Auf der flachen Linie beginnen Menschen bereits einzelne Punkte zu erkennen.