„Energie verbindet alles“

Die Wissenschaftsautorin Olivia Judson hat die Erdgeschichte neu eingeteilt – ein Interview.

Romanenko/Deposit Cyanobakterien waren die ersten Lebensformen, die Sonnenlicht direkt genutzt haben.

Frau Judson, Sie haben als Wissenschaftsjournalistin für die New York Times, den Economist, National Geographic und andere Medien gearbeitet und sind mit Ihrem Buch "Dr. Tatiana's Sex Advice to all Creation" und der dazugehörigen Show bekannt geworden. Aber kürzlich haben Sie im Wissenschaftsmagazin "Nature Ecology and Evolution" einen wissenschaftlichen Artikel mit dem Titel "The energy expansions of evolution" veröffentlicht. Wie kam es dazu?

Ich arbeite seit zehn Jahren an einem Buch über das Zusammenspiel des Lebens mit der Entwicklung der Erde und habe mich unglaublich schwer damit getan, das recherchierte Material zu organisieren. Eines Tages erkannte ich ein Muster…

…die Energie-Epochen in der Entwicklung von Leben und Erde, die Sie in Ihrer wissenschaftlichen Veröffentlichung beschreiben. Was ist das Besondere an dieser Einteilung?

Der Ausgangspunkt ist, dass alles Leben Energie braucht. Ohne Energie können Lebewesen nichts tun, sie können sich nicht bewegen, sie können nicht wachsen, sich nicht fortpflanzen oder ihre Körper vor dem Zerfall bewahren. Während ich auf mein Material starrte, wurde mir klar, dass die Anzahl der Energiequellen, die das Leben nutzt, im Lauf der Evolution immer größer geworden ist. Mir wurde klar, dass es fünf energetische Epochen gibt und jede sich durch eine neue Energiequelle auszeichnet: geochemische Energie; Sonnenlicht; Sauerstoff; Fleisch und Feuer.

Diese Faktoren sind allgemein bekannt. Aber niemand vor Ihnen hat daraus energetische Epochen gemacht und diese benannt?

Natürlich haben schon andere Wissenschaftler über das Verhältnis von Energie und Leben nachgedacht, es ist ein wichtiges Thema in der Ökologie und der Mikrobiologie. Alfred Lotka hat schon in den 1920er Jahren und Leigh Van Valen dann in den 1980er Jahren daran gearbeitet, den Faktor Energien in evolutionäre Ideen zu integrieren. Sie haben dafür aber nicht viel Aufmerksamkeit bekommen.

Und in jüngerer Zeit?

Da haben Forscher wie Mike Russell, Bill Martin, Nick Lane und Everett Shock vor allem über die Rolle der Energie bei der Entstehung des Lebens nachgedacht. Geerat Vermeij und Tim Lenton haben sich mit energetischen Veränderungen über geologische Zeiträume beschäftigt. Was ich jetzt versuche ist, Energie als Faktor für die gemeinsame Entwicklung von Leben und Erde darzustellen. Das Thema stand in der Evolutionstheorie und der Evolutionsforschung bisher am Rand, und ich möchte mit meinem Paper dazu beitragen, dass es ins Zentrum rückt. Als ich Biologie studiert habe, hatten wir zwar Kurse in Physik und Chemie, aber nicht in Geologie. Das ist grundfalsch. Wir sollten uns klar machen, dass Biologie und Geologie in vielerlei Hinsicht ein- und dasselbe sind.

Gehen wir im Schnelldurchlauf durch diese Epochen…

Geochemische Energie entsteht bei chemischen Reaktionen zwischen Wasser und vulkanischem Gestein. Als die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren entstand, schien die Sonne natürlich auch schon. Aber die ersten Lebewesen nutzten nicht Sonnenlicht, sondern diese geochemische Energie. Dann entstanden Organismen, die Photosynthese betreiben konnten und dabei Sauerstoff freisetzten. Doch es dauerte unglaubliche 300 Millionen Jahre, bis sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte. Es gab sehr viel Material – von vulkanischen Gasen über Oberflächengestein bis zu Meer gelösten Metallen – mit dem der Sauerstoff zunächst reagierte, bis er dann vor 2,3 Milliarden Jahren begann, im Überschuss vorzukommen und zu einem wesentlichen Bestandteil der Luft zu werden…

Die Journalistin Olivia Judson – bei der Arbeit an einem Buch entstand eine wissenschaftliche Veröffentlichung.
Die Journalistin Olivia Judson – bei der Arbeit an einem Buch entstand eine wissenschaftliche Veröffentlichung.
privat

…mit weitreichenden Konsequenzen für die Evolution.

Ja, Sauerstoff war ja zunächst nur ein Nebenprodukt der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff bei der Photosynthese durch Cyanobakterien, aber er wurde zu einer mächtigen Energiequelle für neuartige, größere Organismen, zu deren Nachfahren wir zählen, und für komplexere Ökosysteme. Mit der Sauerstoffnutzung kam das Fleisch in die Welt und mit dem Fleisch entstanden erstmals mobile Lebensformen, die sich von anderen Lebewesen ernähren. Das passierte aber erst vor etwa 550 Millionen Jahren. Und das Feuer schließlich, die jüngste Energieform, gibt es auch erst seit 420 Millionen Jahren.

Vorher gab es kein Feuer auf der Erde?

Nein, dazu mussten auf unserem Planeten erst Pflanzen das Land besiedeln. Für Feuer braucht es Sauerstoff und Brennstoff. Zur eigentlichen Energiequelle wurde Feuer aber erst vor einer Million Jahren, als die Evolution ein Geschöpf hervorbrachte, das Feuer nutzbar machte – die Gattung Mensch.

Welchen Vorteile hatte es für unsere Vorfahren überhaupt, Feuer zu nutzen?

Kochen ist eine Art der Vorverdauung, und es erhöht die Verfügbarkeit von Energie aus der Nahrung. Manche Wissenschaftler argumentieren sogar, dass die Fähigkeit zum Kochen unseren Körperbau massiv verändert hat – größere Gehirne, kleinere Verdauungsorgane, kleinere Münder und Zähne, schwächere Kiefer. Und wir haben ja beim Kochen nicht Halt gemacht. Auch die Neandertaler haben Feuer eingesetzt, um Arbeit effizienter zu machen. So haben sie Birkenharz erhitzt und daraus eine Art Klebstoff erzeugt, mit dem sie Kopf und Schaft ihrer Äxte besser miteinander verbinden konnten. Feuer hat die zivilisierte Welt erschaffen – seine Nutzung hat zur Eisen- und Glasherstellung geführt, zur Dampfmaschine und zum Verbrennungsmotor, und zu diesem unfassbar energieaufwändigen Prozess namens Haber-Bosch-Verfahren, mit dessen Hilfe wir Stickstoff aus der Luft holen und ihn in Dünger verwandeln. Ohne das Haber-Bosch-Verfahren gäbe es bei Weitem nicht so viele Menschen wie heute.

Warum ist es Ihnen so wichtig, die Erdgeschichte energetisch zu betrachten?

Weil jede dieser Epochen gewaltige Veränderungen für Leben und Erde ausgelöst hat. Das Auftreten von Sauerstoff führte zum Entstehen der Ozonschicht, die das Leben an Land vor kosmischer UV-Strahlung schützt. Sauerstoff hat die Vielfalt der Mineralien auf der Erde mindestens verdoppelt. Er hat wahrscheinlich auch zum Entstehen der Eiszeiten beigetragen. Und er hat große, sauerstoffbetriebene Tiere wie uns erst möglich gemacht. Oder betrachten wir die Fleischepoche: sie hat nicht nur das Tempo der Evolution enorm beschleunigt, sondern auch die Geologie der Erde massiv verändert, denn als Reaktion auf Raubtiere entwickelten viele Tiere Schalen, Schuppen und andere Schutzhüllen. Deren Überreste kann man an den Klippen von Dover oder auf Rügen bewundern. Sie ragen an vielen Orten der Erde in die Höhe. Eines meiner Vorbilder, der Biologe Thomas Henry Huxley, sagte schon im 19. Jahrhundert: "Kalk ist kein unwichtiges Element im Gebälk der Erdkruste."

Olivia Judson teilt die Erdgeschichte in fünf Kapitel ein: Geothermische Energie, Sonnenenergie, Sauerstoff, Fleisch, Feuer. "Ga" steht für Giga-Jahre, also Milliarden Jahre.
Olivia Judson teilt die Erdgeschichte in fünf Kapitel ein: Geothermische Energie, Sonnenenergie, Sauerstoff, Fleisch, Feuer.
Nature Ecology and Evolution, mit frdl. Genehmigung der Autorin

Welche Grundsatzfragen wirft die Einteilung der Erdgeschichte in Energie-Epochen auf?

Ganz wichtig ist die Frage, was Makroevolution ist und wie sie funktioniert: Evolution also nicht auf der Ebene der Gene und Populationen, sondern Evolution in erdgeschichtlichem, globalen Maßstab. Wenn man sich nochmal vor Augen führt, dass es 300 Millionen Jahre gedauert hat, bis die Cyanobakterien überschüssigen Sauerstoff erzeugten, dann aber Entwicklungen in Gang kamen, die den Lauf der Erdgeschichte fundamental verändert haben, erkennt man die Dimensionen der Makroevolution. Eine komplexe Biosphäre entwickelt sich nicht automatisch, die Entwicklung ist davon abhängig, wie das Leben mit dem Planeten selbst interagiert. Eine weitere wichtige Frage ist die von Energie-Komplexität. Viele symbiotische Lebensweisen, die grundlegend wichtig für Lebensprozesse sind – etwa Flechten, die Gestein besiedeln können, Korallen, die gewaltige Strukturen aufbauen oder die Gemeinschaften an sogenannten Schwarzen Rauchern in der Tiefsee – sind Kooperationen von Lebewesen mit unterschiedlichen Energie-Nutzungsformen. Der energetische Blickwinkel hilft, das zu verstehen.

Erlaubt es dieser Blickwinkel, allgemeine Prinzipien zu formulieren, die nicht nur auf der Erde gelten?

Ich denke schon. Es geht um die Frage, welche Arten der Energienutzung einem Himmelskörper in welcher Kombination zur Verfügung stehen. Hätten geologische Voraussetzungen auf der Erde aus irgendeinem Grund verhindert, dass Cyanobakterien keinen überschüssigen Sauerstoff erzeugen, dann könnten wir dieses Gespräch nicht führen, weil es weder Menschen noch andere Wirbeltiere gäbe. Die Evolution wäre in einer Art Sackgasse gelandet und bestimmte Entwicklungspfade wären versperrt gewesen. Vom Saturnmond Enceladus wissen wir, dass er über jede Menge geochemischer Energie verfügt. Aber ihm fehlt die Sonnenenergie, weshalb Ökosysteme dort deutlich limitierter in ihrer Entwicklung sein sollten als auf der Erde.

Ort der Makroevolution – Erde und Mond aus fast zehn Millionen Kilometern Entfernung, aufgenommen von der Raumsonde Juno.
Ort der Makroevolution – Erde und Mond aus fast zehn Millionen Kilometern Entfernung, aufgenommen von der Raumsonde Juno.
NASA

Was hätte Charles Darwin zu Ihrer Einteilung gesagt?

Er wäre überhaupt nicht überrascht gewesen. Er ist zwar für sein Werk "Die Entstehung der Arten" bekannt geworden, in dem er eine Unmenge an Belegen dafür präsentierte, dass Evolution durch natürliche Selektion stattfindet. Aber sein erstes und sein letztes Buch handelten von der Biogeologie. Im ersten Buch ging es um Korallenriffe, im letzten um Regenwürmer. Er beschrieb, wie Riffe zum Wachstum von Bergen beitragen und wie Regenwürmer unmerklich Landschaften einebnen. Er hat diesen Gedanken nie in einem Großwerk zusammengefasst, aber es war ihm völlig klar, dass das Leben als solches den ganzen Planeten verändert. Das hat ihn sein ganzes Leben lang beschäftigt.

Sie sagten, Sie hätten eines Tages ein Muster erkannt. War das eine Art Heureka-Moment?

Vor zwei Jahren sollte ich in Montpellier einen Vortrag über die Koevolution von Leben und Erde halten, aber ich hatte noch keine klare Geschichte vor Augen, die ich erzählen konnte. Alles, was ich präsentierte, war eine lange Liste von Beispielen. Nach dem Vortrag kam ich mit einem Zuhörer ins Gespräch – plötzlich wurde mir klar, dass Energie das Prinzip ist, das alles verbindet. Mein Mann, der auch Wissenschaftler ist, ermutigte mich, das als Paper aufzuschreiben. Zuerst zögerte ich, aber jetzt bin ich froh, dass ich es gemacht habe.

Haben Sie die Ideen ganz allein ausgearbeitet oder in einem Team?

Ich lebe seit 2014 in Berlin und bin Gastwissenschaftlerin am Institut für Biologie der FU Berlin. Grundsätzlich habe ich allein gearbeitet, tausende wissenschaftliche Publikationen und in der wunderbaren Staatsbibliothek ungezählte Bücher ausgewertet. Aber natürlich waren die Gespräche mit Freunden und mit Kollegen an der FU und an Institutionen wie dem DLR in Adlershof, dem Wissenschaftskolleg und dem Naturkundemuseum unglaublich wichtig. Dasselbe gilt für den Input der Gutachter bei "Nature Ecology and Evolution", die mir sehr geholfen haben, meine Idee klar zu formulieren.

Waren die Gutachter bei "Nature Ecology and Evolution" irritiert, dass eine Journalistin eine Veröffentlichung einreicht, noch dazu eine mit einem so grundsätzlichen Thema?

Natürlich habe ich mir Sorgen gemacht, dass so eine Einreichung auf Vorbehalte stoßen könnte. Ich habe zwar schon früher im Rahmen meiner Doktorarbeit in Biologie wissenschaftlich publiziert, aber noch nie im Gebiet der Biogeologie. Und ja, ich bin nicht als Wissenschaftlerin bekannt, sondern als Journalistin und Autorin. Deshalb habe ich sehr von der sogenannten "Doppel-Blind"-Methode bei dem Magazin profitiert. Weder kannte ich den Namen der Gutachter noch sie meinen. Ich weiß nicht, ob das irgendetwas verändert hat, aber es hat mir ein Gefühl von Sicherheit gegeben.

Der Mensch verbraucht so viel Energie wie kein anderes Lebewesen – auch für die Herstellung von Dünger aus Luftstickstoff.
Der Mensch verbraucht so viel Energie wie kein anderes Lebewesen – auch für die Herstellung von Dünger aus Luftstickstoff.
Koslic/Deposit

Die letzte Stufe der Energie-Evolution, die Sie beschreiben, ist das Feuer. Ist sie mit der Idee des Anthropozäns verbunden, der Hypothese, dass wir Menschen eine neue geologische Erdepoche einläuten?

Bevor ich mein Paper schrieb, war ich skeptisch, was das Anthropozän anbelangt, jetzt bin ich es nicht mehr. Unser Gebrauch von Feuer könnte für die Entwicklung der Erde ähnlich weitreichende Konsequenzen haben, wie es Sauerstoff und Fleisch hatten. Mit dem Anthropozän beginnt etwas genuin Neues.

Wird die Zukunft der Menschheit wirklich von Feuer geprägt sein? Schließlich steigen wir gerade massenhaft auf Erneuerbare Energien um. Sie könnten ganz ohne Feuer auch neue Technologien wie Künstliche Intelligenz und Roboter mit Energie versorgen.

Feuer als Energiequelle wird auf absehbare Zeit mit großer Wahrscheinlichkeit nicht verschwinden. Aber solche Fragen gehen mir durch den Kopf, wenn ich nachts wach liege. Vielleicht stehen wir ja mit Künstlicher Intelligenz und Robotik kurz davor, etwas ganz Neues zu erschaffen. Schließlich waren auch frühere Energieepochen davon geprägt, dass völlig neuartige Lebensformen entstanden sind. Ich kann natürlich auch nicht in die Zukunft blicken, aber ich bin während meiner Arbeit zu dem Thema nicht gerade optimistischer geworden, was die weitere Entwicklung betrifft.

Ein Umstieg auf Erneuerbare Energien würde unsere Energieprobleme nicht grundsätzlich lösen?

Je mehr billige Energie wir haben, desto disruptiver verhalten wir uns gegenüber den anderen Lebensformen, mit denen wir die Erde teilen, und generell den Lebensbedingungen auf der Erde. Der Umstieg auf Solarenergie mag die Erderwärmung und den Anstieg des Meeresspiegels verlangsamen, aber unser unbändiger Energiehunger wird die Erde in jedem Fall weiter tiefgreifend verändern.