Das alte Beispiel der modernen globalen Erwärmung war zu heiß für winzige, wichtige Meeresbewohner

Während einer anderen Zeit, in der sich die Erde in Verbindung mit einem Anstieg des atmosphärischen Kohlenstoffs ähnlich unserem modernen Klima schnell erwärmte, dezimierten die Meereswassertemperatur und chemische Veränderungen einen wichtigen Teil des Nahrungsnetzes im tropischen Pazifik, so neue Forschungsergebnisse der University of Wisconsin – Madison.

Planktonische Foraminiferen sind einzellige Meeresorganismen, die dafür bekannt sind, komplizierte Muscheln herzustellen, die nicht nur die Größe eines Sandkorns haben, sondern oft Sandkörner auf Meeresböden und Stränden sind. Planktonische Foraminiferen haben sich vor ungefähr 180 Millionen Jahren entwickelt, und sie haben die ganze Zeit damit verbracht, sich weiterzuentwickeln, während sie absterben und auf den Grund des Ozeans sinken, wo sich ihre charakteristischen Schalen anhäufen, um Schicht für Schicht Sedimente zu bilden.

Foraminiferen entstanden vor etwa 56 Millionen Jahren während eines Ereignisses namens Paläozän-Eozän-Thermalmaximum (PETM), als sich die atmosphärische Chemie und der Kohlendioxidgehalt abrupt änderten – wie sie es heute tun – und die globalen Temperaturen schnell um 4 bis 5 Grad Celsius wärmten.

„Foraminiferen sind ziemlich empfindliche Umweltindikatoren. Ich sehe sie als Kanarienvögel in der Kohlemine“, sagt Clay Kelly, Professor für Geowissenschaften an der UW-Madison und einer der Autoren einer neuen Studie des PETM, die kürzlich in veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences. Er merkt auch an, dass „das PETM wohl unser bestes antikes Analogon für den zukünftigen Klimawandel ist“.

In den 1990er Jahren veröffentlichte Kelly Beschreibungen der in Tiefseesedimenten gefundenen Foraminiferen aus der Zeit des PETM. Sie wurden von einem erloschenen Unterwasservulkan mitten im Pazifischen Ozean geborgen. Was er durch das sorgfältige Trennen und Untersuchen von Foraminiferenschalen fand, war eine überraschende Zunahme der Artenzahl, die in Äquatornähe in einem Ozean lebt, der heißer, saurer und weniger sauerstoffgesättigt wurde.

Aber der Beginn des PETM geschah geologisch gesehen schnell, in weniger als 5.000 Jahren. In dieser Zeit haben Meeresströmungen und die Grabungstätigkeit von am Boden lebenden Organismen die Sedimente des Meeresbodens aufgewühlt und vermischt, so dass die mikroskopisch kleinen Schalen von Foraminiferen im Schlamm nach oben oder unten gedrückt wurden und ihre schließlich versteinerten Überreste 10.000 Jahre lang neben Vorfahren oder Nachkommen saßen entfernt.

„Diese Nachbearbeitung kann 20 Zentimeter eines Sedimentkerns durcheinander bringen, so dass einige Foraminiferen, die viel früher im Sediment abgelagert wurden, Tausende von Jahren später gelebt zu haben scheinen“, sagt Brittany Hupp, eine Co-Autorin, die währenddessen an der Studie arbeitete promovierte in Geowissenschaften an der UW-Madison und ist jetzt Postdoktorandin an der Oregon State University.

Hupp nutzte die scharfe Veränderung der atmosphärischen Chemie (und der oberen Schichten des Ozeans, wo planktonische Foraminiferen leben), um die Umarbeitung des Sediments zu entwirren, und kam zu einer ganz anderen Schlussfolgerung über die Reaktion von Foraminiferen auf PETM-Bedingungen.

Das PETM ist in den Gesteins- und Fossilienaufzeichnungen durch eine globale Kohlenstoffisotopenexkursion gekennzeichnet, bei der ein Kohlenstoffisotop in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt. Isotope sind Atome eines einzelnen Elements, die leicht unterschiedliche Gewichte haben. Das von den Forschern untersuchte Isotop heißt Kohlenstoff 12.

„Kohlenstoff 12 ist ein stabiles Isotop, was bedeutet, dass es nicht wie sein Schwesterisotop Kohlenstoff 14 einem radioaktiven Zerfall unterliegt und relativ konzentriert in organischen Materialien wie Kohle und Kohlenwasserstoffen bleibt, die viel Zeit in der Erde verbracht haben“, sagt Kelly. „Wir graben es gerade als fossile Brennstoffe aus, verbrennen es und setzen es mit einer beispiellosen Geschwindigkeit in das Ozean-Atmosphäre-System frei.“

Da Kohlenstoff 12 auch während des PETM zunahm und Foraminiferen Kohlenstoff zur Herstellung ihrer Schalen verwenden, gibt es einen deutlichen Unterschied zwischen der Menge an Kohlenstoff 12 in den Schalen von Foraminiferen, die vor dem PETM lebten, und denen, die während der Erwärmungsperiode lebten.

Hupp durchsuchte die Sedimentproben erneut und warf die Muscheln heraus, deren Kohlenstoffgehalt sie als aus der falschen Zeit kennzeichnete, möglicherweise von einem alten Grabwurm durch das Sediment nach oben getrieben. Sie stellte mehr als 500 einzelne Foraminiferen aus dem PETM zusammen, die eine signifikante Veränderung gegenüber der Foraminiferen-Gemeinschaft vor dem PETM darstellten.

„An der Stelle dieses Sedimentkerns ist die Artenvielfalt deutlich zurückgegangen“, sagt Hupp. „Wir gehen von neun großen Taxa – die etwa 90 Prozent der Foraminiferen ausmachen – auf vier herunter. Mehr als die Hälfte der Arten verschwand also während dieser Erwärmungsperiode von diesem Standort.“

Aber sie sind nicht ausgestorben. Wahrscheinlich wanderten sie aus den heißen Tropen aus, um kühlere Gewässer zu finden. Die Arten, die vom Äquator verschwanden, wurden noch in höheren Breiten gefunden. Tatsächlich zeigen andere Studien, dass einige der äquatorialen Arten während des PETM in Polarregionen auftauchen.

„In den PETM-Tropen ändert sich ihre Populationsdynamik so dramatisch“, sagt Kelly. „Wir haben gesehen, wie viele von ihnen die Tropen verlassen haben, und das hätte die Nahrungskette während des PETM-Ereignisses, das so viel mit der heutigen Erwärmung gemeinsam hat, erheblich verändert.“

Da sie die ersten Verbraucher von einzelligen Pflanzen am Ende der Nahrungskette sind, wäre die Abwesenheit der Foraminiferen aus ihren normalen Heimatgebieten katastrophal gewesen. Das könnte auch in unserer nahen Zukunft der Fall sein.

Die Forscher, zu denen der UW-Madison-Co-Autor und Geografieprofessor John „Jack“ Williams gehört, bemerkten auch Veränderungen in den Schalen der Foraminiferen, wahrscheinlich weil das Meerwasser saurer wird, wenn es zusätzlichen Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnimmt. Die Versauerung erschwert Foraminiferen das Wachstum ihrer Schalen.

„Aber sie sind bei weitem nicht die einzigen im Ozean lebenden Organismen, deren Schalen aus Kalziumkarbonat bestehen“, sagt Hupp. „Viele der Belastungen, denen planktonische Foraminiferen während des PETM ausgesetzt waren, werden sich also auf viele andere wichtige Organismen auswirken, die heute diese Schalen bauen.“