Die Geologie ist eine merkwürdige Naturwissenschaft. Wir durchstreifen mit Hammer und offenen Augen die Natur, schlagen Gesteine an, blicken hinein und: erklären daraus die Welt. Nicht die Welt, wie sie...

Die Geologie ist eine merkwürdige Naturwissenschaft. Wir durchstreifen mit Hammer und offenen Augen die Natur, schlagen Gesteine an, blicken hinein und: erklären daraus die Welt. Nicht die Welt, wie sie heute ist – sondern, wie sie sich in den letzten paar Milliarden Jahren entwickelt hat. Und das tun wir meist anhand ziemlich unansehlicher Klumpen, die jeder normale Mensch als Geröll und Gefahr für den Straßenverkehr bezeichnen würde.

Ein Geologiestudent im Gelände ist zunächst verzweifelt, denn im Feld kann er viele Steine nur als Fubarit („fucked up beyond all recognition“) ansprechen. Mit ein bisschen Erfahrung ändert sich das. (Bild: Karl Urban, CC-BY-SA 3.0 DE)

Die Frage lautet: dürfen wir das?

Die Antwort: ja, wir dürfen. Denn wir Geologen bedienen uns des Aktualismusprinzips. Das besagt: Prozesse, die heute auf der Erde ablaufen, müssen auch schon früher abgelaufen sein.

Finden wir einen Kalkstein mit den Überresten von Riffbewohnern, können wir daraus schließen: Da gab es also vor langer Zeit etwas Korallenriff-artiges. Finden wir einen Granit, schließen wir: Da muss es vor langer Zeit eine große Magmakammer gegeben haben, in der sich Quarz, Feldspat und Glimmer zu großen Kristallen formten.

Ihr merkt schon: Aktualismus ist sehr praktisch. Ohne das Prinzip würde Geologie als Wissenschaft nicht funktionieren.

Ein Problem

Der Aktualismus hat aber dort seine Grenzen, wo er nicht mehr funktioniert. Etwa, wenn wir ein Gestein finden, dessen Entstehungsprozess wir gar nicht verstehen: Ein Gestein, dass sich in den letzten paar hundert Jahrmillionen häufig formte und aus dem heute ganze Gebirge bestehen – aber das heute nirgendwo auf der Welt in signifikanten Mengen gebildet wird.

Dieses Gestein (und das gleichnamige Mineral, sein Hauptbestandteil) wurde schon Ende des 18. Jahrhunderts klassifiziert und nach dem französischen Geologen Déodat de Dolomieu benannt: Der Dolomit. Seitdem beschäftigten sich Forscher weltweit mit dem Dolomitproblem. Es war lange Zeit mysteriös und stellte einen ernsthaften Anschlag auf das Aktualismusprinzip dar.

Dolomit ist ein einfach aufgebautes Mineral: Es unterscheidet sich vom weit verbreiteten Kalzit (dem Kalk aus eurem Wasserkocher: CaCO₃) nur durch ein zusätzliches Magnesium: CaMg(CO₃)₂. Doch während Kalzit aus warmem (oder gar siedendem) Wasser ausfällt, braucht Dolomit etwas mehr als 100 °C – und das gibt es aus physikalischen Gründen in keinem Gewässer weltweit – und dürfte es auch in der Erdgeschichte kaum gegeben haben.

Ein gebirgsbildendes Mineral: Die Dolomiten (CC-BY-NC-SA sgirolimetto)

Das Dolomiträtsel: Gelöst?

Nun kursieren schon lange mehrere Ideen, die das Dolomitproblem lösen sollten. Das Gestein könne ursprünglich Kalkstein gewesen sein, der nach seiner Versenkung in wärmere Bereiche der Erdkruste chemisch (Geologen sagen: metamorph) zu Dolomit reagierte. Auch aus einer wässrigen Lösung könnte das Mineral ausfallen – bräuchte dafür aber einen recht konstanten Magnesiumgehalt, definierte Temperaturen, pH-Werte und andere gelöste Salze. Und zuletzt gibt es auch magmatische Dolomite. – Dennoch ist keiner dieser Ansätze in der Lage, die großen Dolomitmengen der Welt zu erklären – sondern höchstens einen kleinen Teil davon.

Doch in mehreren Etappen scheint sich das Dolomitproblem nun langsam zu klären: Offenbar können spezielle Mikroorganismen das Mineral er-stoffwechseln oder zumindest eine Reaktion Gang setzen.

Aber der Reihe nach.

Schon 1995 entdeckten Schweizer und brasilianische Geologen in einer Lagune nahe der Küste Rio de Janeiros, dass dort Dolomit gebildet wird: in ziemlich salzigem und sauerstoffarmem Wasser [1]. Die Forscher fanden darin auch prächtig gedeihende Bakterien der Art Desulfovibrio brasiliensis. Sie gehört zu den Sulfatreduzierern – atmet also Sulfat, während Sauerstoff sogar ein Zellgift darstellt. Darum hält es sich auch in dieser stehenden Salzbrühe so gut. Ob diese Bakterien den Dolomit herstellen, konnten die Forscher damals aber nicht beweisen.

Was in den Folgejahren gelang, war ein weiteres Bildungsmodell für Dolomit auszubauen: die viel zu geringe Konzentration von Mg⁺ und Ca⁺-Ionen in gewöhnlichem Oberflächenwasser könnte vielleicht durch die Bakterien angehoben werden. Das könnten ausgeschiedene organische Verbindungen bewerkstelligen: Biofilme. Sie bestehen aus langkettigen Polymeren (vor allem Zuckern aber auch Aminosäuren und Proteinen) und dienen den Mikroben zum Schutz gegen widrige Umweltbedingungen.

Ihre volle Funktionsweise ist noch nicht verstanden – und ich bin selbst zu wenig Chemiker, um das zu tun: Aber das Dolomitproblem scheinen die Biofime nun zu lösen! Eine Kieler Gruppe von Geomikrobiologen konnte zeigen, dass in den Biofilmen sulfatreduzierender Bakterien feine Dolomitkristalle gebildet werden [2].

Wie schon beim Fund der Brasilianer von 1995 handelt es sich also um Sulfatatmer – für die Sauerstoff ein Gift darstellt und die deshalb versuchen, sich tief zu verkriechen. Die untersuchte Art heißt Desulfobulbus mediterraneus und wurde im Sediment entdeckt: 1000 Meter tief unter dem Grund des Mittelmeers. Da unten ist die Gefahr für eine Sauerstoffvergiftung nämlich eher gering. Wichtig dabei: Diese Organismen schaffen es auch, unter meerwasser-ähnlichen Salzkonzentrationen Dolomit auszuscheiden, was sie zu einem klaren Anwärter für wichtigere Dolomitproduzenten macht.

Spannend ist dieser Fund aus zwei Gründen:

1. Dolomit muss in der Erdgeschichte immer dann entstanden sein, wenn es Sulfatreduzierer gut hatten. Das heißt: in den Meeren muss ziemliche Sauerstoffarmut geherrscht haben. Das muss somit für die großen Dolomitgebirge der Welt gelten – und ihre Ablagerungszeiten.
2. Noch viel wichtiger: Das Aktualismusprinzip ist gerettet und Geologen dürfen weiter auf Steine einklopfen.

[1] Vasconcelos et al.: Microbial mediation as a possible mechanism for natural dolomite formation at low temperatures, Nature 377 (1995)

[2] Krause et al.: Microbial nucleation of Mg-rich dolomite in exopolymeric substances under anoxic modern seawater salinity: New insight into an old enigma, Geology 40, no. 7 (2012)

Danke an Ole Nielsen fürs Ausgraben und @fischblog, @meta_physik, @chrifpa, @irene_muc, @simon_plasger, Martin, Klaus und Caroline fürs Druck ausüben.