Formation of Silica-Containing Thrombolites: A Case Study of Visean Limestone in Fukushima Prefecture, Japan

Tief unter den Wellen der fernen Vergangenheit hinterlässt das Leben oft mehr als nur Knochen oder Schalen. Manchmal hinterlässt es Gesteine, die von unsichtbaren Gemeinschaften aus Bakterien und Algen aufgebaut wurden, bekannt als Mikrobialite. Diese lebenden Strukturen können zu massiven, geschichteten Hügeln heranwachsen oder klumpige, schwammartige Massen bilden, die Thrombolithe genannt werden. Seit über einem Jahrhundert untersuchen Wissenschaftler diese Gesteine, um die Umgebungen zu verstehen, in denen sie entstanden, und die winzigen Organismen, die sie aufbauten. Eine zentrale Frage in diesem Feld war, wie bestimmte Teile dieser Gesteine mit Siliziumdioxid gefüllt wurden, einem harten, glasartigen Material. Während einige Forscher davon ausgingen, dass bestimmte Arten von siliziumdioxid-produzierenden Organismen diese siliziumreichen Schichten direkt aufbauten, fragten sich andere, ob sich diese Schichten erst später, nach der Einbettung des Gesteins, durch chemische Veränderungen im Boden gebildet hatten. Das Verständnis dieses Unterschieds ist entscheidend, da es die Art und Weise verändert, wie wir die Geschichte des Lebens auf der Erde lesen; wenn das Siliziumdioxid eine spätere Zugabe ist, erzählt es die Geschichte chemischer Reaktionen statt der direkten Aktivität eines spezifischen antiken Lebewesens.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher ein spezifisches Stück antiken Kalksteins in der Präfektur Fukushima, Japan, um dieses Rätsel zu lösen. Das von ihnen untersuchte Gestein stammt aus dem Visean-Zeitalter, einer Zeit vor etwa 340 Millionen Jahren, als die Erde sich von einem Massenaussterben erholte und neue Arten von Riffen zu florieren begannen. Das Team konzentrierte sich auf eine Formation, die als Tateishi-Formation bekannt ist und berühmt für ihren dunkelgrauen Kalkstein mit Fossilien von Korallen und anderen Meeresbewohnern ist. Die Forscher waren jedoch weniger an den großen Fossilien interessiert und konzentrierten sich statsdessen auf die mikroskopische Textur des Gesteins selbst. Sie fanden heraus, dass ein Großteil dieses Kalksteins ein Thrombolith ist, eine Art mikrobielles Gestein, das durch eine klumpige, gefleckte Textur statt durch glatte Schichten gekennzeichnet ist. Innerhalb dieser Klumpen entdeckten sie etwas Ungewöhnliches: Die Ränder der Klumpen waren reich an Siliziumdioxid, und einige Teile des Gesteins enthielten zudem winzige Pyritkristalle, ein Mineral, das oft als „Katzengold“ bezeichnet wird.

Um zu verstehen, wie diese Merkmale entstanden, sammelte das Team Dutzende von Gesteinsproben und schnitt sie in so dünne Dünnschliffe, dass Licht hindurchscheinen konnte. Dann verwendeten sie leistungsstarke Mikroskope und chemische Analysatoren, um die Verteilung der Elemente innerhalb des Gestsins zu kartieren. Was sie fanden, war ein klares Muster: Das Zentrum der klumpigen Strukturen war reich an Kalzium, dem Hauptbestandteil des Kalksteins, während die äußeren Ränder reich an Silizium waren. Dieses Silizium bildete eine deutliche Schicht, die manchmal bis zu drei Millimeter dick war und den kalziumreichen Kern umgab. Die Forscher bemerkten auch, dass die winzigen Pyritkristalle oft genau an der Grenzfläche zu finden waren, wo die Siliziumschicht auf den Rest des Gesteins traf. Diese spezifische Anordnung deutete darauf hin, dass das Siliziumdioxid nicht als harte Schale begann, die von einem Organismus gebaut wurde. Stattdessen deuteten die Beweise auf einen Prozess hin, der nach der Einbettung des Gchesins stattfand.

Die Forscher schlagen eine Abfolge von Ereignissen vor, die diese Ergebnisse erklärt, ohne neue Arten von antiken Organismen erfinden zu müssen. Sie vermuten, dass die klumpigen Strukturen als dichte Cluster mikroskopischer Organismen begannen, wie etwa winzige kalzifizierende Algen und Bakterien. Als diese Organismen starben und ihre Überreste unter Schichten von Sediment eingebettet wurden, begann die organische Substanz innerhalb der Klumpen zu zersetzen. Dieser Zersetzungsprozess verbrauchte Sauerstoff und setzte Säuren frei, was den Säuregehalt des in den winzigen Poren des Gesteins eingeschlossenen Wassers senkte. Dieser Abfall des Säuregehalts führte dazu, dass der umgebende Kalkstein leicht auflöste, wodurch mehr Raum entstand. Gleichzeitig bewirkten die chemischen Veränderungen, dass gelöstes Siliziumdioxid, das im Porenwasser schwebte, erstarrte und aus der Lösung ausfiel. Dieses Siliziumdioxid setzte sich an den äußeren Rändern der zerfallenden Klumpen ab und bildete den harten, glasartigen Rand, den die Forscher beobachteten. Das Vorhandensein von Pyrit stützt diese Geschichte, da Pyrit entsteht, wenn Bakterien organisches Material in sauerstoffarmen Umgebungen abbauen und dabei Schwefel freisetzen, der mit Eisen reagiert.

Die Studie untersuchte auch andere Strukturen im Gestein, einschließlich dünner, blattartiger Schichten und der Oberflächen von Korallenfossilien. In beiden Fällen fanden die Forscher ähnliche siliziumreiche Schichten. Die Korallenfossilien beispielsweise waren oft mit einer dünnen Hülle aus Siliziumdioxid überzogen, die scheinweise in die ursprüngliche Korallenoberfläche hineingefressen hatte, was darauf hindeutete, dass der Kalkstein sich auflöste, bevor das Silizium seinen Platz einnahm. Das Team schloss die Idee aus, dass diese Siliziumdioxid-Schichten von siliziumproduzierenden Organismen wie Diatomeen aufgebaut wurden, die zu dieser Zeit in der Erdgeschichte noch nicht existierten, oder durch die klebrigen Außenbeschichtungen von Bakterien, die viel dünnere Schichten erzeugt hätten. Stattdessen legen die Beweise stark nahe, dass die Siliziumdioxid-Schichten ein sekundäres Merkmal sind – eine chemische Kruste, die durch den Zerfall der ursprünglichen mikrobiellen Gemeinschaft entstanden ist.

Diese Entdeckung bietet eine neue Sichtweise auf antike Gesteine. Sie legt nahe, dass Wissenschaftler, wenn sie siliziumreiche Ränder an mikrobiellen Strukturen sehen, nicht automatisch von einem spezifischen Typ eines Silizium aufbauenden Organismus ausgehen sollten. Stattdessen könnten diese Merkmale das Ergebnis eines häufigen chemischen Prozesses sein: der Zersetzung organischer Materie, die die Ausfällung von Siliziumdioxid auslöst. Dieser Mechanismus erfordert keine einzigartige Umgebung oder eine spezielle Gruppe von Organismen; er kann überall geschehen, wo organische Materie in siliziumreichem Wasser zerfällt. Indem sie erkennen, dass einige der harten, glasartigen Teile dieser antiken Gesteine tatsächlich das Ergebnis früher chemischer Veränderungen und nicht des ursprünglichen biologischen Bauplans sind, können Wissenschaftler die wahre Geschichte der mikrobiellen Gemeinschaften, die vor Millionen von Jahren lebten, besser rekonstruieren. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die komplexen Texturen dieser antiken Gesteine eine Kombination aus den ursprünglichen Lebensformen und den chemischen Reaktionen sind, die auf ihre Einbettung folgten – eine Erinnerung daran, dass die Geschichte eines Gesteins oft in Schichten aus sowohl Biologie als auch Chemie geschrieben ist.