Die Geschichte der Evolution in Phosphor geschrieben

Phosphor ist eines der Elemente, das für den Aufbau von Organismen und deren Stoffwechsel entscheidend ist. Sein Zyklus durch die Umgebungen ist auch einer der am besten verstandenen. Den tschechischen Paläontologen Peter Kraft und Michal Mergl kam jedoch der Gedanke, dass es auf der Landkarte unseres Verständnisses eines solch grundlegenden Prozesses noch einige weiße Flecken geben könnte. Ihre Publikation, die einen neuen Blick auf die Veränderungen des Phosphorkreislaufs im Laufe der Erdzeit wirft, ist kürzlich in erschienen Trends in Ökologie & Evolution.

In einer umfassenden Studie interessanter, aber noch wenig bekannter Devon-Fossilien mit Phosphatschalen aus dem Prager Becken in der Tschechischen Republik diskutierten Kraft und Mergl deren Vorkommen in der geologischen Vergangenheit. Dies waren größtenteils bekannte Tatsachen, einschließlich des allmählichen Niedergangs, der am Ende des frühen Paläozoikums während des Devon kulminierte.

Sie stellten jedoch auch fest, dass einige Gruppen, die in den älteren Schichten durch große Exemplare vertreten waren, im Devon Zwergformen hervorbrachten. Es war, als ob ihnen das Material für Granaten fehlte. Die logische Frage wurde gestellt – warum? Die Frage nach dem radikalen Verlust von Phosphor in der Umwelt war so faszinierend, dass sich beide Autoren daran machten, die verschiedenen Ecken des Kreislaufs dieses Elements im Detail zu studieren. Aus diesem Nebenprodukt ihrer ursprünglichen Studie ist somit ein eigenständiges Forschungsprojekt geworden.

„Der Phosphorkreislauf ist einer der grundlegenden Elementkreisläufe, die unter anderem eine Schlüsselrolle in der Biologie der Ozeane spielen [are] eine Reihe von Studien dazu. Das Problem ist jedoch, dass die überwiegende Mehrheit von ihnen den Phosphorzyklus der „menschlichen Ära“ untersucht, der den gesamten Zyklus erheblich verändert hat. Daher haben wir uns entschieden, ein synthetisches Modell der phosphorbeeinflussten Evolutionsgeschichte zur Veröffentlichung anzubieten“, erklärt Kraft vom Institut für Geologie und Paläontologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Karls-Universität Prag.

Veröffentlichte Studien zeigen deutlich, dass die Verfügbarkeit von Phosphor in der Umwelt eine klare Grenze für die Ausbreitung des Lebens setzt. Und da die Verfügbarkeit dieses Elements sowohl kurzfristige als auch langfristige Prozesse beeinflussen kann, entschieden sich die Autoren, die Rolle von Phosphor in drei Phasen der Evolution des Lebens in den Ozeanen zu diskutieren.

Die erste Stufe ist das späte Präkambrium (Ediacara-Periode), das durch eine leichte Verfügbarkeit von Phosphor und zahlreiche Phosphatansammlungen gekennzeichnet ist. In Kombination mit einem Anstieg des Sauerstoffgehalts kann es als eine der Hauptursachen für die Entstehung von Vielzellern angesehen werden.

Das frühe Paläozoikum war aufgrund der intensiven Beteiligung von Biota an seiner Dynamik eine kritische Ära des Phosphorzyklus. Am Anfang war Phosphor in großen Mengen leicht verfügbar und daher hatten viele Gruppen die Möglichkeit, äußere Phosphathüllen aufzubauen. Dies trug sehr wahrscheinlich zur Geschichte der kambrischen Explosion bei, einer Zeit, in der Vertreter fast aller Tierstämme innerhalb relativ kurzer Zeit im Fossilienbestand auftauchten. Das Kambrium war somit ein „goldenes Zeitalter“ für Organismen mit äußeren Phosphatschalen.

Während des Ordoviziums begann sich das Leben jedoch erheblich zu verändern, als das sogenannte Great Ordovizian Biodiversification Event (GOBE) sowohl die Anzahl der Taxa als auch der Individuen stark erhöhte. Hier verlagerte sich die Hauptverwendung von Phosphor: Es wurde in Zellstrukturen benötigt, und äußere Phosphathüllen begannen zum Luxus zu werden. Beschleunigt wurde dieser Prozess durch die Entstehung und evolutionäre Diversifizierung von Wirbeltieren, die zwar viel Phosphor benötigen, diesen aber besser bewältigen konnten. Diese zweite Evolutionsphase gipfelte in der Wirbeltierexplosion während der Devon-Nekton-Revolution und markierte den Niedergang von Gruppen mit externen Phosphatschalen.

Die Folgezeit vom Ende des Paläozoikums bis in die Gegenwart ist durch eine begrenzte, aber auch selektive Verfügbarkeit von Phosphor in den Meeren und Ozeanen gekennzeichnet. Geologische Prozesse wie die Variscan (400–300 Ma) und die alpinen Orogenesen (80 Ma bis heute) trugen erheblich zur Phosphorversorgung der Ozeane bei. Die Fähigkeit von Phosphor, von seiner Hauptquelle in den Felsen der kahlen Kontinente in die Ozeane zu gelangen, wurde jedoch durch die Ausbreitung der Vegetation an Land und andere Einflüsse wie das Klima während dieser Zeit behindert. Am wichtigsten war, dass es in Organismen in der Wassersäule konzentriert war. Und pelagische Wirbeltiere waren der Hauptfilter.

„Sehr interessant ist, dass Schwankungen der Phosphorverfügbarkeit in nachdevonischen Zeiten linguliforme Brachiopoden betrafen, die es nicht nur schafften, mit einer äußeren Phosphathülle zu überleben, sondern im Tertiär auch eine vorübergehende Erholung verzeichneten“, erklärt Mergl von der Fakultät für Erziehungswissenschaften der Westböhmischen Universität in Pilsen.