Das Leben auf der Erde begann mit einem einzelligen Mikroorganismus, während der Aufstieg zur vielzelligen Welt, in der wir leben, einem lebenswichtigen chemischen Prozess zu verdanken ist, der als Biomineralisation bekannt ist und bei dem lebende Organismen verhärtetes mineralisiertes Gewebe, beispielsweise Skelette, produzieren. Dieses Phänomen führte nicht nur zu der Fülle an Körperbauplänen, die wir heute sehen, sondern hatte auch große Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf des Planeten.
Fossile Skelette von Cloudiniden (Cloudina), röhrenförmige Strukturen aus Karbonatkegeln mit einer Länge von bis zu ca. 1,5 cm, wurden im Tsau Khaeb-Nationalpark in Namibia gefunden und stammen aus der Zeit vor 551–550 Millionen Jahren im Ediacaran (ca. 635–538). vor Millionen Jahren). Dr. Fred Bowyer von der Universität Edinburgh und Kollegen wollten diese Fossilien nutzen, um den Ort, den Zeitpunkt und den Grund für den Beginn der Biomineralisierung auf der Erde sowie das Ausmaß ihrer Auswirkungen zu bestimmen.
Neue Forschungsergebnisse veröffentlicht in Briefe zur Erd- und Planetenwissenschaft kombiniert Sedimentanalyse mit geochemischen Daten in Form von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen (dasselbe Element mit unterschiedlichen Atommassen) aus Kalksteinen im Kliphoek-Mitglied, Nama Group. Das Forschungsteam geht davon aus, dass dieses Gestein einst während eines Tiefstands in einem flachen Meer abgelagert wurde, bevor es zu offenen Meeresbedingungen kam.
Die Nama-Gesteinsgruppe gilt als eines der wichtigsten Gesteine für das Verständnis der Strahlung des Lebens auf der Erde in das Kambrium (vor etwa 538–485 Millionen Jahren), das umgangssprachlich als „biologischer Urknall“ bezeichnet wird.
Während der Feldforschung in Namibia offenbaren die Schichtungsebenen zwischen aufeinanderfolgenden Gesteinseinheiten die Wunder der Lebensgeschichte durch Ichnofossilien, die Spuren antiker Aktivität, aber nicht ausdrücklich die Erhaltung der Überreste des Organismus. Dr. Bowyer vermutet, dass es sich dabei um Strukturen handelt, die von Mikroben mit weichem Körper geschaffen wurden und im unteren Teil des Untersuchungsgebiets (Mara Member) vor der Bioverkalkung vorkommen. Darüber hinaus begann das Forscherteam, die ersten Anzeichen von Cloudina im Kliphoek-Mitglied zu erkennen, charakteristische konische Fossilien mit ineinander verschachtelten Kegelstrukturen.
Geochemische Analysen der Kalziumkarbonat-Kalksteine, in denen die Fossilien vorkommen, offenbaren die Isotopensignatur des Kohlenstoffs (das Verhältnis von leichterem 12C zu 13C) und Sauerstoff (16O zu 18O), die in die Molekülstruktur eingebaut sind, und damit die Bedingungen der Meeresumwelt. sowie den Planeten als Ganzes.
Beispielsweise fördern wärmere globale Temperaturen die Verdunstung von Meerwasser, einschließlich des isotopisch leichteren 16O, wodurch der Ozean mit schwererem 18O angereichert wird, das in die Karbonate eingebaut wird und ein positives 18O-Signal im Datensatz erzeugt.
Unterdessen werden Kohlenstoffisotope durch Photosynthese, Atmung und Auftriebszonen beeinflusst, was sie etwas komplexer macht, aber im Allgemeinen nutzt eine höhere Ozeanproduktivität durch photosynthetisierende Organismen das leichtere 12C, wodurch der Ozean mit 13C angereichert bleibt (positives Signal).
Der Namibia-Datensatz weist von Karbonat abgeleitete 12C/13C-Verhältnisse von −7,24‰ (Teile pro Tausend) bis +2,91‰ und 16O/18O-Verhältnisse von −12,14‰ bis −0,78‰ auf, was den stratigraphischen Abschnitt vergrößert, während dies bei Cloudina-haltigen Einheiten der Fall ist ein relativ niedrigeres mittleres 12C/13C-Verhältnis von -1,19‰ und schwankende 16O/18O-Verhältnisse. Dr. Bowyer und Kollegen schlagen vor, dass das niedrigere 12C/13C-Verhältnis und das erhöhte 16O/18O-Verhältnis charakteristisch für eine halbgeschlossene Umgebung sind, die mit dem Meer verbunden, aber stärker von den offenen Meeresbedingungen abgeschottet ist.
Daher deuten die geochemischen Daten darauf hin, dass Cloudina aus einer sauerstoffarmen Umgebung mit Perioden deutlich höherer Sauerstoffanreicherung stammt und dass es sich nicht um einen Fall anhaltender Sauerstoffanreicherung handelte, der zum Auftreten einer Skelettierung führte. Das Forschungsteam vermutet jedoch, dass besonders hohe Karbonatkonzentrationen im Ozean notwendig waren, um die Umgebung zu übersättigen, aus der Cloudina ihre kalkhaltige Struktur bildete.
Dies resultierte aus einer Zeit der Meeresüberschreitung, als sich die Küste landwärts bewegte, so dass am Untersuchungsstandort flache Gezeitenbedingungen in einem Evaporitbecken für das Mara-Mitglied herrschten, bevor der Meeresspiegel durch die Ablagerung von Sandsteinen und kalzitischen Sedimenten im flachen offenen Gelände erneut anstieg Meeresbedingungen des Kliphoek-Mitglieds.
Während des anschließenden Rückgangs des Meeresspiegels wurden diese offenen Meereskarbonate über einer Redoxkline abgelagert, einer Schicht, in der oberhalb und unterhalb erhebliche Unterschiede in der Sauerstoffanreicherung des Wassers auftreten, was die Biomineralisierung von Cloudina ermöglicht.
Zusammen mit früheren Forschungsergebnissen stützt diese Studie die Vermutung, dass Cloudina und ähnliche Mikrobiota opportunistische Besiedler kurzlebiger Atmungsperioden während der Sauerstoffanreicherung unter ansonsten relativ anoxischen Bedingungen in Kombination mit Schwankungen des Meeresspiegels waren. Folglich könnte die evolutionäre Neuheit der Skelettierung tatsächlich auf die Instabilität der Meeresumwelt zurückzuführen sein.
Mehr Informationen:
Fred T. Bowyer et al., Einschränkung des Beginns und der Umweltbedingungen der Biomineralisierung von Metazoen: Die Ediacara-Nama-Gruppe der Tsaus-Berge, Namibia, Briefe zur Erd- und Planetenwissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118336.
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