Wie Leben und Geologie zusammenwirkten, um die nährstoffreiche Erdkruste zu formen

Vor etwa 500 Millionen Jahren diversifizierte sich das Leben in den Ozeanen rasch. Im Handumdrehen verwandelte sich das Leben – zumindest geologisch gesehen – von einfachen Lebewesen mit weichem Körper in komplexe vielzellige Organismen mit Schalen und Skeletten.

Nun haben Untersuchungen der Universität Cambridge gezeigt, dass die Diversifizierung des Lebens zu dieser Zeit auch zu einer drastischen Veränderung der Chemie der Erdkruste führte – der obersten Schicht, auf der wir gehen, und vor allem der Schicht, die viele der Nährstoffe liefert lebenswichtig. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Die Forscher stellten fest, dass sich nach der sogenannten kambrischen Explosion die Menge des lebensspendenden Nährstoffs Phosphor in Krustengesteinen verdreifachte – eine Veränderung, die die weitere Ausbreitung des Lebens auf der Erde unterstützte.

„Wir haben herausgefunden, dass das Leben in der Antike einen tiefgreifenden Einfluss auf seine Umwelt hatte – sogar bis zu dem Punkt, dass die Chemie der kontinentalen Kruste verändert wurde“, sagte Craig Walton, Hauptautor der Studie und vom Department of Earth Sciences in Cambridge.

Mithilfe einer Datenbank mit Informationen über antike Gesteine, die von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt zusammengestellt wurde, erstellten die Forscher eine Karte, um zu zeigen, wie sich die Chemie der Erdkruste in den letzten 3000 Millionen Jahren verändert hat. Sie fanden heraus, dass nach dem Anstieg des Phosphors zur Zeit der kambrischen Explosion der Gehalt dieses Schlüsselnährstoffs in Krustengesteinen bis heute weiter angestiegen ist.

„Ab etwa 540 Millionen Jahren sehen wir, dass das Leben die Zusammensetzung des oberen Teils der Erdkruste verändert hat“, sagte Co-Autor Oliver Shorttle, der gemeinsam am Department of Earth Sciences und am Institute of Astronomy in Cambridge tätig ist. „Dies zeigt, wie die Entwicklung des Lebens das Wachstum weiteren Lebens beeinflussen kann und wie viel Leben ein Planet wiederum unterstützen kann.“

Leben in all seinen vielfältigen Formen – vom gewaltigen Wal bis zum winzigen Plankton – basiert auf sechs Hauptbestandteilen: Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Die Forscher untersuchten Phosphor, weil er nicht nur vom Leben allgemein benötigt wird, sondern auch schwer zugänglich ist, weil er in Mineralien in der Erdkruste eingeschlossen ist.

„Es wird auch angenommen, dass Phosphor einer der Nährstoffe ist, der die Menge an Leben, die in den Ozeanen existieren kann, begrenzt“, sagte Shorttle. Er erklärte, dass sie durch die Kartierung von Phosphor in Gesteinen im Laufe der Zeit feststellen könnten, wie viel von diesem Element dem Leben zur Verfügung steht, und dadurch eine Vorstellung davon bekommen könnten, wie viel Leben es auf dem Planeten gegeben habe.

Im Gegensatz zu Kohlenstoff und Stickstoff, die wichtige Bestandteile unserer Atmosphäre sind, muss Phosphor aus Gesteinen gewonnen werden, bevor das Leben ihn nutzen kann. Der Prozess beginnt mit dem Zerfall von Gesteinen durch Wechselwirkungen mit Regenwasser. Dabei wird Phosphat freigesetzt, das dann von Flüssen in die Ozeane gespült wird. In den Ozeanen angekommen, wird Phosphor von Organismen wie Plankton oder eukaryotischen Algen verstoffwechselt, die dann von größeren Tieren weiter oben in der Nahrungskette verzehrt werden.

Wenn diese Organismen sterben, wird der Großteil des Phosphors wieder in die Ozeane zurückgeführt. Dieser effiziente Recyclingprozess ist eine wichtige Kontrolle über die Gesamtmenge an Phosphor im Ozean, die wiederum das Leben unterstützt. „Es ermöglicht uns, alles Leben zu haben, das wir heute um uns herum sehen. Daher ist es wirklich wichtig zu verstehen, wann dieser Prozess begann.“ sagte Walton.

Doch all diese biologische Wiederaufbereitungsleistung ist auf Sauerstoff angewiesen. Dies treibt die Bakterien an, die für den Abbau abgestorbenen organischen Materials verantwortlich sind, wodurch Phosphor wieder in die Ozeane zurückgeführt wird.

Die Forscher gehen davon aus, dass ein Anstieg des Sauerstoffgehalts etwa zur Zeit der kambrischen Explosion erklären könnte, warum Phosphor in den Gesteinen zunahm. „Wenn der Sauerstoffgehalt zu diesem Zeitpunkt tatsächlich zugenommen hätte, wäre möglicherweise mehr Sauerstoff verfügbar gewesen, um Tiefseebiomasse abzubauen und Phosphor in flache Küstenregionen zurückzuführen“, sagte Walton. Durch die Rückführung dieses Phosphors in Richtung Land blieb er in den Gesteinen, aus denen die Kontinente bestehen, besser erhalten. „Diese Reihe von Veränderungen war letztendlich dafür verantwortlich, die Aktivität des komplexen Lebens, wie wir es kennen, voranzutreiben“, sagte Walton.

Aber er fügte hinzu: „Es ist schwierig, die Abfolge der Ereignisse zu entschlüsseln – ob sich komplexes Leben zum Teil aufgrund der erhöhten Versorgung mit Sauerstoff und Phosphor entwickelt hat oder ob sie tatsächlich vollständig für die zunehmende Verfügbarkeit von beidem verantwortlich waren, ist immer noch unklar.“ kontroverses Thema.“ Walton und das Team wollen nun den Auslöser und Zeitpunkt dieser Phosphoranreicherung in der Erdkruste genauer untersuchen.