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Vor Hunderten von Millionen Jahren, in der Mitte des späteren kanadischen Yukon-Territoriums, wimmelte es in einem Ozean von gepanzerten Trilobiten, muschelähnlichen Brachiopoden und weichen, matschigen Kreaturen, die an Schnecken und Tintenfische erinnern. Eine Fülle von Fossilien und Gesteinsschichten, die sich auf diesem alten Meeresboden gebildet haben, wurden jetzt von einem internationalen Wissenschaftlerteam am Ufer des Peel River, einige hundert Meilen südlich der arktischen Beaufortsee, ausgegraben. Die Entdeckung zeigt Sauerstoffveränderungen am Meeresboden über fast 120 Millionen Jahre des frühen Paläozoikums, einer Zeit, die die schnellste Entwicklung und Diversifizierung von komplexem, mehrzelligem Leben in der Erdgeschichte begünstigte.
«Es ist außergewöhnlich, so viel Erdgeschichte an einem Ort zu haben», so der Geologe Erik Sperling von der Stanford University, Hauptautor der Studie, die Anfang Juli in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde. Die meisten Gesteinsformationen aus dem Paläozoikum wurden durch tektonische Kräfte zerbrochen oder im Laufe der Zeit erodiert.
Zu Beginn des Paläozoikums, vor etwa 541 Millionen Jahren, war der Sauerstoff im Tiefenwasser dieses und anderer Ozeane knapp. Er blieb knapp bis zum Devon, vor etwa 405 Millionen Jahren, als in einem geologischen Wimpernschlag – nicht mehr als ein paar Millionen Jahre – der Sauerstoff wahrscheinlich auf ein Niveau anstieg, das dem der heutigen Ozeane nahe kam, und die Vielfalt des Lebens auf der Erde explodierte. Große, räuberische Fische tauchten auf. Primitive Farne und Nadelbäume eroberten die Kontinente, die zuvor von Bakterien und Algen beherrscht wurden. Libellen ergriffen die Flucht. Und das alles nach fast vier Milliarden Jahren, in denen die Landschaften der Erde praktisch unfruchtbar waren.
«Soweit ich weiß, gibt es nirgendwo sonst auf der Welt eine so lange Aufzeichnung der Erdgeschichte, in der sich Dinge wie die Wassertiefe oder der Beckentyp im Grunde nicht verändert haben.»Erik Sperling, Geologe an der Stanford University
Wissenschaftler haben lange darüber debattiert, was den dramatischen Wechsel von einer sauerstoffarmen Welt zu einer sauerstoffreicheren Welt verursacht haben könnte, die ein vielfältiges Netz an tierischem Leben beherbergen konnte. Aber bis jetzt war es schwierig, den Zeitpunkt der globalen Sauerstoffanreicherung oder den langfristigen Hintergrundzustand der Weltmeere und der Atmosphäre während der Ära festzulegen, die sowohl die sogenannte Kambrische Explosion des Lebens als auch das erste der „Big Five“ Massenaussterben der Erde vor etwa 445 Millionen Jahren am Ende des Ordoviziums erlebte.
Laut Sperling ist eine kontinuierliche Aufzeichnung notwendig, um Vergleiche über diese riesigen Zeiträume anzustellen und langfristige Trends zu verstehen.
Kontext für vergangenes Leben
Mit der Erlaubnis der Gemeinden Na Cho Nyak Dun und Tetlit Gwitch’in in Yukon verbrachte Sperlings Team, zu dem auch Forscher des Dartmouth College und des Yukon Geological Survey gehörten, drei Sommer am Peel River. Mit dem Hubschrauber angereist, schlug sich das Forschungsteam mit Macheten durch das Gestrüpp neben den Stromschnellen der Klasse VI, um Hunderte faustgroße Gesteinsproben aus mehr als einer Meile ineinander verschachtelter Schichten aus Schiefer, Feuerstein und Kalkschlammstein zu sammeln.
Zurück in Sperlings Labor in Stanford arbeiteten zahlreiche Studenten und Doktoranden fünf Sommer lang an der Analyse der Fossilien und Chemikalien, die in den Felsen eingeschlossen waren. «Wir haben viel Zeit damit verbracht, Gesteine aufzuspalten und Graptolithenfossilien zu untersuchen», sagt Sperling. Da Graptolithen relativ schnell eine Vielzahl von erkennbaren Körperformen entwickelten, ermöglichen die bleistiftartigen Markierungen, die die Fossilien dieser koloniebildenden Meerestiere hinterlassen haben, den Geologen, die Gesteine, in denen sie gefunden wurden, zu datieren.
Nachdem die Forscher die Graptolithenfossilien identifiziert und datiert hatten, zerkleinerten sie die Gesteine in einer Mühle und bestimmten dann den Gehalt von Eisen, Kohlenstoff, Phosphor und anderen Elementen in dem entstandenen Pulver, um die Meeresbedingungen zur Zeit und am Ort der Entstehung der Schichten zu beurteilen. Sie analysierten 837 neue Proben von der Peel River Stelle sowie 106 neue Proben aus anderen Teilen Kanadas und 178 Proben aus der ganzen Welt zum Vergleich.
Gewinner und Verlierer
Die Daten zeigen, dass der niedrige Sauerstoffgehalt in den Weltmeeren wahrscheinlich Millionen von Jahren länger anhielt als bisher angenommen – bis weit ins Phanerozoikum hinein, als Landpflanzen und frühe Tiere begannen, sich zu diversifizieren. «Die frühen Tiere lebten noch in einer sauerstoffarmen Welt», so Sperling. Entgegen lang gehegter Annahmen fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Ozeane des Paläozoikums auch überraschend frei von Schwefelwasserstoff waren, einem Atemgift, das häufig in den anoxischen Regionen moderner Ozeane zu finden ist.
Als der Sauerstoffgehalt in den Meeren schließlich anstieg, geschah dies genau zu dem Zeitpunkt, als größeres und komplexeres Pflanzenleben aufkam. «Es gibt eine Menge Debatten darüber, wie Pflanzen das Erdsystem beeinflusst haben», sagt Sperling. «Unsere Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass die Pflanzen, als sie sich entwickelten und die Erde bedeckten, die Nährstoffzufuhr in den Ozean erhöhten und damit die Sauerstoffanreicherung vorantrieben.» In dieser Hypothese hätte der Zufluss von Nährstoffen ins Meer die Primärproduktion erhöht, ein Maß dafür, wie schnell Pflanzen und Algen Kohlendioxid und Sonnenlicht aufnehmen, in neue Biomasse umwandeln – und dabei Sauerstoff freisetzen.
Die Veränderung hat wahrscheinlich die Graptolithen abgetötet. «Obwohl mehr Sauerstoff für viele Organismen wirklich gut ist, verloren die Graptolithen den sauerstoffarmen Lebensraum, der ihr Refugium war», sagte Sperling. «Bei jeder Umweltveränderung wird es Gewinner und Verlierer geben. Graptolithen könnten die Verlierer gewesen sein.»
Quelle: Pressemitteilung der Stanford University
Link zur Studie: Erik A. Sperling, Michael J. Melchin, Tiffani Fraser, Richard G. Stockey, Una C. Farrell, Liam Bhajan, Tessa N. Brunoir, Devon B. Cole, Benjamin C. Gill, Alfred Lenz, David K. Loydell, Joseph Malinowski, Austin J. Miller, Stephanie Plaza-Torres, Beatrice Bock, Alan D. Rooney, Sabrina A. Tecklenburg, Jacqueline M. Vogel, Noah J. Planavsky, Justin V. Strauss. A long-term record of early to mid-Paleozoic marine redox change. Science Advances, 2021; 7 (28): eabf4382 DOI: 10.1126/sciadv.abf4382