Entschlüsselung der antiken Atmosphäre der Erde: Die Rolle des Lebens bei der Gestaltung unserer Welt

Über 500 Millionen Jahre hinweg haben sich Atmosphäre, Ozean und Leben der Erde gemeinsam entwickelt und so die Bedingungen für Organismen verbessert. Wissenschaftler fanden heraus, dass Meeresalgen den Kohlendioxid- und Sauerstoffgehalt regulierten und so die Photosynthese und Bewohnbarkeit verbesserten. Zukünftige Forschungen werden Sauerstoffmuster und Biomarker der Photosynthese in Fossilienfunden kartieren. Quelle: SciTechDaily.com

Eine aktuelle wissenschaftliche Studie verfolgt die Koevolution von Atmosphäre, Ozeanen und Leben der Erde über 500 Millionen Jahre hinweg und zeigt, wie sich Organismen wie Algen verändert und an veränderte Umweltbedingungen angepasst haben, was letztlich die Bewohnbarkeit der Erde verbesserte.

In den letzten 500 Millionen Jahren haben Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean und Leben auf der Erde Bedingungen geschaffen, die es frühen Organismen ermöglichten, zu gedeihen. Ein interdisziplinäres Wissenschaftlerteam hat nun einen Perspektivenartikel zu dieser Koevolutionsgeschichte in der multidisziplinären Open-Access-Zeitschrift National Science Review veröffentlicht.

„Eine unserer Aufgaben war es, die wichtigsten Entdeckungen über Kohlendioxid und Sauerstoff in der Atmosphäre und im Ozean der letzten 500 Millionen Jahre zusammenzufassen“, sagt Zunli Lu, Geochemieprofessor an der Syracuse University und Hauptautor der Studie. „Wir haben untersucht, wie diese physikalischen Veränderungen die Evolution des Lebens im Ozean beeinflusst haben. Aber es ist keine Einbahnstraße. Die Evolution des Lebens hatte auch Auswirkungen auf die chemische Umgebung. Es ist keine triviale Aufgabe, zu verstehen, wie man über lange Zeiträume eine bewohnbare Erde aufbaut.“

Das Team der Syracuse University, der Oxford University und der Stanford University erforschte die komplexen Rückkopplungen zwischen alten Lebensformen, darunter Pflanzen und Tiere, und der chemischen Umgebung im aktuellen Phanerozoikum, das vor etwa 540 Millionen Jahren begann.

Zu Beginn des Phanerozoikums war der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre hoch und der Sauerstoffgehalt niedrig. Unter solchen Bedingungen wäre es für viele moderne Organismen schwierig, zu gedeihen. Aber Meeresalgen änderten das. Sie absorbierten Kohlendioxid aus der Atmosphäre, schlossen es in organische Materie ein und produzierten durch Photosynthese Sauerstoff.

Die Fähigkeit von Tieren, in einer ozeanischen Umgebung zu leben, wurde durch den Sauerstoffgehalt beeinflusst. Lu untersucht mithilfe geochemischer Proxys und Modellsimulationen, wo und wann der Sauerstoffgehalt der Ozeane während des Phanerozoikums gestiegen oder gefallen sein könnte. Co-Autor Jonathan Payne, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Stanford University, vergleicht den geschätzten Stoffwechselbedarf eines urzeitlichen Tiers mit Orten, an denen es überlebt hat oder in den Fossilienfunden verschwunden ist.

Als photosynthetische Algen atmosphärischen Kohlenstoff in Sedimentgestein entfernten, um den Kohlendioxidgehalt zu senken und den Sauerstoffgehalt zu erhöhen, wurden die Enzyme der Algen bei der Kohlenstofffixierung weniger effizient. Daher mussten die Algen kompliziertere Wege finden, um bei niedrigerem Kohlendioxid- und höherem Sauerstoffgehalt Photosynthese zu betreiben. Dies erreichten sie, indem sie interne Kompartimente für die Photosynthese schufen und dabei die Chemie kontrollierten.

„Bei Algen scheinen Veränderungen des Umweltverhältnisses von O2/CO2 der Schlüssel zur Verbesserung der photosynthetischen Effizienz zu sein“, sagt Co-Autorin Rosalind Rickaby, Professorin für Geologie in Oxford. „Das wirklich Faszinierende ist, dass diese Verbesserungen der photosynthetischen Effizienz möglicherweise den chemischen Rahmen der Bewohnbarkeit für viele Lebensformen erweitert haben.“

Urzeitliche Photosynthese betreibende Organismen mussten sich an Veränderungen in der von ihnen selbst geschaffenen physischen Umgebung anpassen, bemerkt Lu. „Der erste Teil der Geschichte des Phanerozoikums ist die zunehmende Bewohnbarkeit für Leben, der zweite Teil ist die Anpassung.“

Wenn Wissenschaftler dieses Zusammenspiel zwischen Leben und physischer Umgebung sowie die Treiber und Grenzen der Bewohnbarkeit besser verstehen wollen, schlagen die Autoren vor, dass die Kartierung der räumlichen Muster von Sauerstoff im Ozean, Biomarker für Photosynthese und metabolische Toleranz von Tieren, die in Fossilienfunden nachgewiesen wurden, eine wichtige zukünftige Forschungsrichtung sein wird.