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Selbstorganisation in Stein

03.02.2014
Die seltenen Kinneyia-Formationen sind versteinerte Zeugnisse von Musterbildung in prähistorischen Biofilmen

Manche Gesteinsformationen könnten von Menschenhand geschaffen sein: Bei den so genannten Kinneyia-Formationen überzieht ein Muster aus geschwungenen, parallel verlaufenden Rillen die Oberfläche von Sand- oder Schluffstein.


Kinneyia-Formationen sind nicht vom Menschen gemacht, sondern durch Selbstorganisation in prähistorischen Biofilmen aus Mikroben, Algen und Pilzen entstanden, die anschließend versteinert sind. Die Riefen bilden sich, wenn Wasser über die Filme strömt, aber nur in Schichten, die zwischen 0,5 und 4 Millimeter dick sind, wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation nun festgestellt haben. Die abgebildete Kinneyia-Struktur wurde auf der Neuras Farm, 200 Kilometer südwestlich von der namibischen Hauptstadt Windhoek, gefunden.

© MPI für Dynamik und Selbstorganisation

Beispiele für diese ebenso bizarren wie seltenen Strukturen finden sich etwa in Namibia, im schwedischen Öland sowie in Deutschland in der Nähe von Helmstedt und Göppingen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und der Georg-August-Universität Göttingen bieten nun erstmals eine umfassende Erklärung, wie die Kinneyia vor mehr als 2500 Millionen Jahren entstanden sind.

Demnach bildeten sich die eigenwilligen Muster unter dem Einfluss strömenden Wassers in organischen Biofilmen. Unter günstigen geologischen Bedingungen versteinerten sie und blieben so bis heute erhalten.

Mitten in einem ausgetrockneten Flussbett ragt ein einzelner Felsbrocken empor, gezeichnet mit einem sonderbaren Muster: Parallel verlaufende, wenige Millimeter tiefe Rillen, die beinahe an Fraßspuren erinnern. Rund 20 Kilometer südwestlich davon zeigt sich ein ähnliches Bild auf einer kleinen Klippe, die einen Fluss überblickt. Wie auch an den anderen weltweiten Fundorten der Kinneyia-Formationen verlief hier in Namibia vor mehr als 2500 Millionen Jahren eine Küstenlinie.

„Schon seit Jahren vermuten Geologen deshalb, dass Wasser bei der Entstehung der eigenwilligen Steinmuster eine entscheidende Rolle spielte“, erklärt Lucas Goehring, Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen. Ein weiterer Hinweis: In Biofilmen aus Mikroben, Algen und Pilzen, wie sie an Seeufern, an der Innenseite von Aquarien oder im heimischen Abflussrohr vorkommen, bilden sich unter bestimmten Bedingungen ähnliche Muster.

Aus dem Mineralgehalt der Proben ist bekannt, dass die Kinneyia versteinerte Zeugnisse solch prähistorischer Filme sein müssen. Doch die Entstehung des markanten Wellenmusters war bislang ein Rätsel. Diese Lücke schließt nun eine Studie der Göttinger Forscher, die in der Fachzeitschrift „Philosophical Transactions of the Royal Society“ erschienen ist. In mathematischen Analysen und Experimenten gelingt es den Forschern, die genauen Entstehungsbedingungen zu rekonstruieren.

Die Selbstorganisation schafft wie von Geisterhand regelmäßige Muster

Dabei bedienen sich die Wissenschaftler der Theorie selbstorganisierter Prozesse: In Systemen, die von einer äußeren Quelle mit Energie versorgt werden, können sich die einzelnen Systembausteine wie von Geisterhand zu erstaunlich regelmäßigen Mustern anordnen. Das gilt etwa für Wirbel in Konvektionsströmungen, Netzwerke von Nervenzellen – und für die Moleküle eines Biofilms.

„Aus Sicht des Physikers ist ein Biofilm zunächst nur eine zusammenhängende, viskose Masse“, so Goehring. In ihren Rechnungen betrachteten die Forscher daher, was geschieht, wenn Wasser über eine solche viskose Schicht strömt. „Die Grenzfläche zwischen Biofilm und Wasser ist instabil“, beschreibt der Kanadier die Ergebnisse. Schon kleinste Störungen sorgen dafür, dass sich ein Muster aus parallel verlaufenden Hügeln und Tälern bildet. Auf ähnliche Weise entstehen beispielsweise die geschwungenen Oberflächenstrukturen von Wolken.

„Erreichen die Täler eine bestimmte Tiefe, verändert sich die Wasserströmung und verstärkt den Effekt“, so Goehring. In den Tälern fließt das Wasser in kleinen Wirbeln zurück. Dadurch lagert sich zusätzliches Material auf den Hügeln ab.

Für die Entstehung der Kinneya-Strukturen ist nur die Filmdicke entscheidend

Dasselbe Verhalten beobachteten die Forscher in ihren Experimenten. Allerdings nutzen die Wissenschaftler im Labor keine echten Biofilme, sondern dünne Schichten aus Polyvinylalkohol, einem Stoff mit vergleichbarer Viskosität, der unter anderem Spielknete ihre Geschmeidigkeit verleiht. Die Schichten setzten sie einer Wasserströmung aus und dokumentierten die so entstehende Riefenstruktur genau.

„Die Laborversuche bieten den Vorteil, dass wir viele Parameter wie etwas die Flussgeschwindigkeit oder die Dicke des Films gezielt verändern können“, so Goehring. Dabei zeigte sich, dass weder die genaue Viskosität der Schicht, noch die Strömungsgeschwindigkeit bei der Entstehung der hausgemachten Kinneyia eine Rolle spielten. „Der einzige entscheidende Parameter scheint die Dicke des Films zu sein“, so Goehring. Sie bestimme Breite und Tiefe der Riefen. Um Strukturen zu erzeugen, wie sie an den beiden namibischen Fundstellen vorkommen, sind Filmdicken von 0,5 bis 4 Millimetern Dicke erforderlich.

„Diese Strukturen dürften in prähistorischer Zeit ein häufiges Phänomen gewesen sein, vor allem weil sie unter verschiedensten Strömungsbedingungen und in sehr unterschiedlichen Biofilmen auftreten können,“, so Goehring. Als sich dann vor etwas mehr als einer halben Milliarde Jahren höhere Organismen entwickelten, waren die Biofilme jedoch ein gefundenes Fressen für sie: aus den Zeiten danach gibt es nur noch sehr wenige erhaltene Fossilien dieser Art.

Die Theorie der Selbstorganisation wird jetzt in den Geowissenschaften angewendet

„Die Kinneyia sind ein beeindruckendes, wenn auch seltenes Beispiel dafür, wie selbstorganisierte Prozesse die Gestalt unserer Erde formen“, sagt Stefan Herminghaus, Direktor der Abteilung Dynamik komplexer Fluide am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Auch die Wellenstrukturen in Sanddünen, der Verlauf von Flussdeltas sowie Muster in Permafrostböden entstehen durch das Prinzip der Selbstorganisation. „In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Theorie selbstorganisierter Systeme in der Physik etabliert“, erläutert Herminghaus. „Erst jetzt beginnen wir jedoch, diese Methoden auf Beispiele in den Geowissenschaften anzuwenden.“

Ein umfassendes Zeugnis dieser Bemühungen liefert der Schwerpunkt-Band „Pattern formation in the geosciences“ der Philosophical Transactions of the Royal Society, in dem auch die Ergebnisse über die Kinneyia-Strukturen veröffentlicht wurden. Der Band wurde herausgegeben von Lucas Goehring vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Stephan Herminghaus
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-200
Fax: +49 551 5176-202
E-Mail: stephan.herminghaus@ds.mpg.de
Dr. Lucas Goehring
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-507
E-Mail: lucas.goehring@ds.mpg.de
Originalpublikation
Katherine Thomas, Stephan Herminghaus, Hubertus Porada und Lucas Goehring
Formation of Kinneyia via shear-induced instabilities in microbial mats
Philosophical Transactions of the Royal Society A, 4. November 2013; doi: 10.1098/rsta.2012.0362

Prof. Dr. Stephan Herminghaus | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/7883086/kinneyia_biofilm_selbstorganisation

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