Neue Studie zeigt, wie mikroskopisch kleine Algen im Laufe der Zeit außergewöhnlich nahrhaft wurden und die Evolution vorantreiben

Auch der kleinste Organismus kann einen großen Einfluss auf die Evolution des Lebens auf der Erde haben. Mikroskopisch kleine Algen, die das sonnenbeschienene Wasser der Meeresoberfläche bewohnen, sind nicht nur für etwa die Hälfte der Photosynthese auf dem Planeten verantwortlich, sondern sind auch als nährstoffreiche Nahrungsquelle wertvoll, die das gesamte Meeresökosystem erhält. In ihrer Studie, die kürzlich in veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of SciencesProf. Itay Halevy und Dr. Shlomit Sharoni von der Abteilung Earth and Planetary Sciences des Weizmann Institute of Science enthüllen die Prozesse, die diese winzigen Organismen zu einer so guten Nahrungsquelle für andere höher in der Nahrungskette gemacht haben – und wie dies wiederum die Evolution vorangetrieben hat Veränderung in den letzten einer halben Milliarde Jahren.

Mikroskopisch kleine Algen, auch Phytoplankton genannt, produzieren durch Photosynthese große Mengen an lebenserhaltenden Verbindungen. Andere winzige Kreaturen „grasen“ dann auf diesem üppigen Sammelsurium, und größere Organismen wie Fische und Krebstiere ernähren sich von den winzigen Grasfressern. Folglich fließen die essentiellen Nährstoffe, die von den Mikroalgen aufgenommen werden, über das Nahrungsnetz, um alle bekannten Meereslebewesen zu ernähren. Doch was bestimmt die Menge an Nährstoffen, die die Mikroalgen aufnehmen und an höhere Lebewesen weitergeben? Die Antwort auf diese Frage ist schwer fassbar geblieben.

Halevy und seine ehemalige Doktorandin Sharoni haben sich in den letzten Jahren auf die verschiedenen geophysikalischen und geochemischen Aspekte konzentriert, die den Nährwert von Mikroalgen beeinflussen. Die Wissenschaftler haben in der Vergangenheit beispielsweise gezeigt, dass der durchschnittliche Nährstoffgehalt von der Art der ihn produzierenden Algen abhängt: Einige Algenarten sind nährstoffreich; andere sind nährstoffarm und enthalten kleinere Mengen der für biologische Systeme wichtigen Hauptnährstoffe wie Phosphat. Es überrascht daher nicht, dass überall dort, wo Umweltbedingungen nährstoffreiche Algenarten begünstigen, die Nahrungskette als Ganzes nährstoffreich sein wird und umgekehrt. „Die sehr kalten und nährstoffreichen Gewässer in der Nähe der Antarktis beherbergen eine Population von schnell wachsendem Phytoplankton, das viele Nährstoffe erntet, mehr als in wärmeren Teilen des Ozeans, und dies führt zu einem nährstoffreichen Meeresökosystem“, sagt Sharoni.

In der vorliegenden Studie interessierten sich die Forscher dafür, zu beurteilen, wie sich diese Umweltbedingungen – die Temperatur und die Nährstoffkonzentrationen der Meeresoberfläche – im Laufe der Erdgeschichte verändert haben, genauer gesagt in den letzten 540 Millionen Jahren. Dieses Zeitintervall ist als Phanerozoikum oder Äon des „sichtbaren Lebens“ bekannt, das durch einen besonderen geologischen Fußabdruck gekennzeichnet ist: Fossilien, die in Sedimentgestein eingeschlossen sind. Die versteinerten Überreste längst vergangener Organismen, Fossilien, bieten Forschern eine großartige Möglichkeit, evolutionäre Ereignisse zu verfolgen und diese Ereignisse dann mit geochemischen Messungen und Modellen zu vergleichen und so ein ganzheitliches Bild der Prozesse zu erstellen, die unseren Planeten geformt haben.

Um dies zu erreichen, entwickelten die Forscher ein Computermodell, das mehrere biogeochemische Kreisläufe koppelt – den ständigen Austausch und Umsatz chemischer Substanzen zwischen den belebten und unbelebten Sphären der Erde. Die Wissenschaftler konzentrierten sich besonders auf das Wechselspiel zwischen den Kreisläufen der vier Elemente, die die Chemie des Lebens bestimmen: Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor. Ihr vorgeschlagenes Modell verwendet Schätzungen geologischer Prozesse, von vulkanischer Aktivität bis hin zu Niederschlagsmustern, um auf die Flüsse dieser Elemente in und aus dem Ozean zu schließen. Zusammen bestimmen diese Flüsse die sich entwickelnde Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre – und damit das Erdklima – sowie die Phosphatkonzentration im Meerwasser. Mit der in ihrem Modell berechneten Klima- und Phosphatverfügbarkeit konnten die Forscher den Gesamtnährstoffgehalt von Mikroalgen im Laufe der Zeit ableiten.

Durch den Vergleich der Vorhersagen ihres Modells mit relevanten Fossilienfunden konnten Halevy und Sharoni mehrere wichtige Evolutionsmuster des Phanerozoikums erklären. Während frühere Schätzungen oft davon ausgingen, dass der Nährstoffgehalt von Mikroalgen über die Jahrhunderte hinweg konstant war, legt dieses Modell nahe, dass sich der Nährstoffgehalt von Mikroalgen in den letzten 540 Millionen Jahren tatsächlich fast verdoppelt hat. Diese Vorhersage stimmt mit der Abfolge verschiedener Mikroalgengruppen im Ozean über dieses Zeitintervall überein, von frühen nährstoffarmen Arten bis hin zu heutigen Ansammlungen von schneller wachsenden, nährstoffliebenden Algen. „Es scheint, dass die Qualität mariner Mikroalgen als Nahrungsquelle im Laufe der Zeit zugenommen hat“, sagt Halevy. „Dies könnte ein Grund für die fortschreitende Entwicklung größerer, komplexerer und beweglicherer Organismen sein, die sich von den Algen ernährten und größere Mengen an leicht verfügbaren Nährstoffen benötigten.“

Mit diesem Ansatz konnten die Forscher auch auf große evolutionäre und tektonische Ereignisse als Haupttreiber für den Anstieg des Algennährstoffgehalts hinweisen. Bis vor etwa 350 Millionen Jahren fand die Photosynthese fast ausschließlich im Meer statt. Erst zu dieser Zeit begannen Pflanzen, die Kontinente zu besiedeln und errichteten eine riesige photosynthetische „Fabrik“. Da Landpflanzen seit langem dafür bekannt sind, dass sie Land anfälliger für chemische Verwitterung machen, also die Entnahme von Nährstoffen aus Gesteinen, hat die Besiedlung der Kontinente den Nährstofffluss in den Ozean deutlich erhöht. Darüber hinaus verstärkte der Zusammenbruch des prähistorischen Superkontinents Pangaea vor etwa 200 Millionen Jahren diesen Fluss weiter. „Zusammengenommen haben diese Ereignisse die Verfügbarkeit von Phosphat erhöht, das natürlicherweise in einigen Gesteinen und Mineralien im Ozean vorkommt. Meeresmikroalgen haben sich entwickelt, um diese zusätzlichen Nährstoffe zu nutzen“, erklärt Sharoni. Da Mikroalgen mehr verfügbare Nährstoffe zum Verstoffwechseln zur Verfügung hatten, wurden sie allmählich zu einer nahrhafteren Nahrungsquelle, die die Entwicklung der Meeresfauna unterstützte und zu ihrer beschleunigten Entwicklung beitrug.

„Durch die Berücksichtigung sowohl wichtiger geologischer als auch evolutionärer Ereignisse konnten wir die geologische Geschichte der Nährstoffverfügbarkeit im Ozean rekonstruieren – und die Reaktion des Meereslebens auf diese Geschichte“, schließt Halevy.

Neben der Zusammenstellung einer genaueren Geschichte des Lebens auf der Erde könnte dieser Ansatz verwendet werden, um die Reaktion des Lebens im Ozean auf gegenwärtige und zukünftige menschliche Aktivitäten besser zu verstehen. Der Nährstoffgehalt von Mikroalgen, immer noch die Grundlage des gesamten Meeresökosystems, wird durch den globalen Temperaturanstieg, getrieben durch Treibhausgasemissionen, beeinflusst. Der Mensch beeinträchtigt auch die marine Verfügbarkeit der essentiellen Nährstoffe Phosphat und Nitrat, indem er Abwässer sowie landwirtschaftliche und industrielle Abfälle in den Ozean verschüttet. Die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten sowohl auf die Temperatur als auch auf die Nährstoffverfügbarkeit können sich wiederum direkt auf die Aktivität und das Gedeihen verschiedener Algenarten und folglich auf alle Arten weiter oben in der Nahrungskette auswirken.