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Blitzschneller Wechsel

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 17.08.2017 16:30

Das Leben auf der Erde kennt eine Handvoll entscheidender Weichenstellungen, die das Zusammenspiel von Planet und Organismen in neue Bahnen lenkten. Eine dieser Weichenstellungen ist die Etablierung der Grünalgen als Basis der Nahrungsnetze in den Ozeanen. Auf der Goldschmidt-Tagung der Geochemiker in Paris und zeitgleich in "Nature" stellt ein internationales Geochemiker-Team eine Chronologie dieser entscheidenden Periode im Präkambrium vor. Der Wechsel von Cyanobakterien zu Grünalgen vollzog sich innerhalb von nur 14 Millionen Jahren.

 

Jochen Brocks und Amber Jarrett untersuchen Biomarker aus dem Präkambrium. (Bild: ANU/Stuart Hay)

Jochen Brocks und Amber Jarrett untersuchen Biomarker aus dem Präkambrium. (Bild: ANU/S. Hay)

 

Die Erde ist der einzige belebte Planet, von dem wir sicher wissen. Auf dem breiten Fundament der Primärproduzenten Algen und Pflanzen ruht ein ungemein komplexes Gebäude des Lebens, das eng mit dem Planeten verflochten ist. Es entstand scheinbar aus dem Nichts, als vor 545 Millionen Jahren in der Kambrischen Revolution die mehrzelligen Organismen auf den Plan traten. Die Frage, die schon Darwin beschäftigte, ist daher: Woher kamen am Wechsel des Präkambriums zum Phanerozoikum, dem Zeitalter der Mehrzeller, ebendiese Lebewesen, wenn niemand sie aus dem Hut zauberte?

In der aktuellen "Nature" wird jetzt ein bedeutendes Datum für den Aufstieg des Lebens gesetzt: "Wir wußten immer, dass mit dem Ende des Präkambriums die Algen als die bedeutendsten Primärproduzenten der Ozeane etabliert waren, aber wir konnten nicht sagen, wann ihr Siegeszug begann", skizziert der Harvard-Geologe Andrew Knoll die Herausforderung. Ein Team um Jochen Brocks von der Australischen Nationaluniversität in Canberra scheint sie jetzt gemeistert zu haben. "Brocks und seine Kollegen haben mit ziemlicher Zuverlässigkeit gezeigt, dass die Grünalgen erst vor rund 660 Millionen Jahren begannen, die Cyanobakterien als Basis des Nahrungsnetzes beiseitezuschieben", so Knoll.

 

Biomarker ersetzen Fossilien


Den Erforschern des Präkambriums fehlt die fossile Überlieferung, denn die winzigen Einzeller, die bis dahin die Ozeane bewohnten, haben kaum Eindruck im Gestein hinterlassen. "Vom Ende des Präkambriums haben wir praktisch kein einziges Fossil", betont Jochen Brocks, "wir haben uns also nach molekularen Fossilien umgesehen." Denn auch wenn sich Einzeller nicht als kompletter Organismus erhalten, so bleiben doch ihre Bestandteile im Gestein erhalten. Wenn sie in genügender Zahl auftraten, sind sie darin auch heute noch nachweisbar, und genau das haben Brocks und seine Kollegen für ihre Studie genutzt. Sie haben Gesteinsproben im Alter zwischen 1000 und 500 Millionen Jahren nach ihrem Gehalt an organischer Substanz durchsucht.

 

Aus präkambrischen Gesteinen gewonnener Biomarker. (Bild: ANU/Stuart Hay)

Aus präkambrischen Gesteinen gewonnener Biomarker. (Bild: ANU/Stuart Hay)

 

"Wir haben die Proben zermahlen und die Substanzen mit Lösungsmitteln herausgezogen", so Brocks, "was dann herauskommt ist im Grunde Rohöl." In diesem "Rohöl" finden sich auch Kohlenwasserstoffe, die für bestimmte Organismengruppen charakteristisch sind und somit als Indikator, als Biomarker, dienen können. "So gibt es einen speziellen Biomarker für Tiere, das 24-Isopropyl-Cholestan", sagt Brocks. Grünalgen haben einen anderen Biomarker und Cyanobakterien wieder einen anderen. Die Suche nach ihnen ist notorisch schwierig, zumindest wenn man sie für eine Chronologie verwenden will. Die Biomarker haben kein Alterszertifikat, ein Molekül aus dem Erdmittelalter sieht exakt so aus wie eins aus dem Erdaltertum, daher ist die Gefahr einer Verunreinigung durch Kohlenwasserstoffe aus jüngeren Zeiten sehr hoch. Brocks und seine Kollegen haben daher nach eigenen Angaben die striktesten Qualitätskontrollen für ihre Proben und den Umgang mit ihnen durchgeführt und gut ein Jahrzehnt für ihre Chronologie aufgewandt.

Folgenreicher Wechsel

 

Der Aufwand hat sich ausgezahlt. "Ich hätte nicht ein solch klares Signal erwartet", erzählt der Forscher, "wir fanden in dem Zeitraum vor 659 bis 645 Millionen Jahren einen Anstieg der Biomarker für Algen um einen Faktor von 100 bis 1000. Das bedeutet, dass sich genau in dieser kurzen Zeit die Welt der Bakterien in die von viel größeren und komplexeren Organismen verwandelte." Die 14 Millionen Jahre sind ein kurzes und extremes Zwischenspiel zwischen den beiden größten gesicherten Eiszeiten, die die Erde jemals erlebt hat. Die Sturtische und die Marinoische Eiszeit überzogen nahezu den gesamten Globus mit einem Gletscherpanzer und dauerten über 50 und rund 15 Millionen Jahre. Die 14 Millionen Jahre, die die Gletscherperioden trennen, waren geprägt von einem intensiven Treibhausklima, das die Oberflächentemperatur in den Ozeanen auf Spitzenwerte von geschätzt 60 Grad trieb.

In diese Zwischenzeit fällt einer der folgenreichsten Wechsel in der Geschichte des irdischen Lebens. "Algen sind viel größer als Cyanobakterien und liefern dadurch Energie für wesentlich größere Organismen auf den höheren Stufen der Nahrungspyramide", so Jochen Brocks, "als sie auftauchten, lösten sie eine Flut von Entwicklungen aus, die schließlich zur Entstehung der Tiere führte." Diese Entwicklung zeigt sich auch in den Biomarkern aus Jochen Brocks Gesteinsproben. "Wir finden Biomarker für Schwämme, die urtümlichsten Tiere", sagt Brocks, "und sie tauchen zur selben Zeit auf, als die Algen sich durchsetzten." Da die Biomarker nur anzeigen, wann sich eine Organismengruppe in beträchtlichen Zahlen im Ozean ausgebreitet hat, müssen auch die Schwämme sich schon vorher entwickelt haben. Erst der Siegeszug der Algen lieferte ihnen die Nahrungsgrundlage für eine größere Verbreitung.

 

Der Pine-Island-Gletscher in der Antarktis. (Bild: Ian Joughin)

Der Pine-Island-Gletscher in der Antarktis. (Bild: Ian Joughin)

 

Ursache gesucht


Was aber hat jetzt den folgenreichen Wechsel von den Cyanobakterien zu den Algen verursacht? Darüber gehen die Meinungen auseinander. Jochen Brocks glaubt an einen gewaltigen Düngerschub, den die Sturtische Eiszeit für die Ozeane bereitstellte. "Die Eiszeit dauerte rund 50 Millionen Jahre und in dieser Zeit zerrieben die Gletscher auf dem Festland ganze Gebirgszüge zu Staub", erzählt der Geowissenschaftler, "mit Anbruch der Warmzeit wurde dieser Gesteinsstaub in die Ozeane gewaschen und sorgte dort für einen bis dato unbekannten Nährstoffreichtum." Das Überangebot führte zu Algenblüten und den entsprechenden Reaktionen bei den höheren Pflanzenfressern.

Andrew Knoll von der Harvard Universität ist bei dieser Erklärung skeptisch. "Jochen und ich sind uns vermutlich einig, wenn wir glauben, dass ein plötzliches Überangebot von Phosphat die Entwicklung ausgelöst hat." Aber der Harvard-Experte für die Entwicklung des frühen Lebens glaubt nicht, dass diese "Überdüngung" erst mit dem Ende der Sturtischen Eiszeit einsetzte. "Wenn wir uns die Geochemie-Daten für Phosphat ansehen, fand der Wechsel von Mangel zu Fülle während der Sturtischen Eiszeit statt und war an ihrem Ende bereits vollzogen." Knoll glaubt daher, dass zum Phosphat-Überangebot noch ein weiterer Faktor hinzukommen musste: Sauerstoff in größeren Mengen. "Bei niedrigen Sauerstoffgehalten wird Phosphat sofort in Mineralen gebunden und gelangt niemals als freiverfügbarer Nährstoff ins Ozeanwasser."

Erst als sich Sauerstoff im Meerwasser anreicherte und den Reaktionspartner des Phosphats, Eisen, wegfing, wurde der Nährstoff für die Biosphäre verfügbar. Die 50 Millionen Jahre dauernde Eiszeit soll für einen entsprechenden Anstieg des Sauerstoffgehalts gesorgt haben, sodass an ihrem Ende alle Faktoren für eine "Machtübernahme" der Grünalgen bereit standen. Der Wechsel, der sich dann in dem kurzen Intervall zwischen zwei Eiszeiten vollzog, sollte sich als dauerhaft und folgenreich wie nur wenige sonst in der Erdgeschichte erweisen. Das gesamte komplexe Gebäude des Lebens, so wie es sich heute präsentiert, beruht letztendlich darauf.