Atmosphäre, Ozean und Leben auf der Erde haben in den letzten über 500 Millionen Jahren auf eine Weise interagiert, die die Bedingungen für das Gedeihen früher Organismen verbessert hat. Nun hat ein interdisziplinäres Forscherteam einen perspektivischen Artikel über diese koevolutionäre Geschichte verfasst. veröffentlicht In Nationale Wissenschaftsüberprüfung.
„Eine unserer Aufgaben war es, die wichtigsten Erkenntnisse über Kohlendioxid und Sauerstoff in der Atmosphäre und im Ozean der letzten 500 Millionen Jahre zusammenzufassen“, sagt Zunli Lu, Geochemieprofessor an der Syracuse University und Hauptautor der Studie. „Wir haben untersucht, wie diese physikalischen Veränderungen die Evolution des Lebens im Ozean beeinflusst haben. Aber das ist keine Einbahnstraße. Die Evolution des Lebens hatte auch Auswirkungen auf die chemische Umwelt. Es ist keine triviale Aufgabe, zu verstehen, wie man über lange Zeiträume eine bewohnbare Erde aufbauen kann.“
Das Team der Syracuse University, Oxford University und Stanford University erforschte die komplexen Rückkopplungen zwischen urzeitlichen Lebensformen, darunter Pflanzen und Tiere, und der chemischen Umgebung im gegenwärtigen Phanerozoikum, das vor etwa 540 Millionen Jahren begann.
Zu Beginn des Phanerozoikums war der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre hoch und der Sauerstoffgehalt niedrig. Unter solchen Bedingungen wäre es für viele heutige Organismen schwierig gewesen, zu gedeihen. Doch Meeresalgen änderten das. Sie absorbierten Kohlendioxid aus der Atmosphäre, schlossen es in organische Stoffe ein und produzierten durch Photosynthese Sauerstoff.
Die Fähigkeit von Tieren, in einer Meeresumgebung zu leben, wurde durch den Sauerstoffgehalt beeinflusst. Lu untersucht mithilfe geochemischer Proxys und Modellsimulationen, wo und wann der Sauerstoffgehalt der Ozeane während des Phanerozoikums gestiegen oder gefallen sein könnte. Co-Autor Jonathan Payne, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Stanford University, vergleicht den geschätzten Stoffwechselbedarf eines urzeitlichen Tiers mit Orten, an denen es im Fossilienbestand überlebt hat oder verschwunden ist.
Da photosynthetische Algen atmosphärischen Kohlenstoff in Sedimentgesteinen entfernen, um den Kohlendioxidgehalt zu senken und den Sauerstoffgehalt zu erhöhen, wurden die Enzyme der Algen bei der Kohlenstofffixierung weniger effizient. Daher mussten Algen kompliziertere Möglichkeiten für die Photosynthese bei niedrigerem Kohlendioxid- und höherem Sauerstoffgehalt entwickeln und erreichten dies, indem sie interne Kompartimente für die Photosynthese mit Kontrolle über die Chemie schufen.
„Bei Algen scheinen Veränderungen im Verhältnis von O2/CO2 in der Umwelt der Schlüssel zur Verbesserung der photosynthetischen Effizienz zu sein“, sagt Co-Autorin Rosalind Rickaby, Professorin für Geologie in Oxford. „Das wirklich Faszinierende ist, dass diese Verbesserungen der photosynthetischen Effizienz möglicherweise den chemischen Rahmen der Bewohnbarkeit für viele Lebensformen erweitert haben.“
Die frühen Photosynthese betreibenden Organismen mussten sich an die Veränderungen in der von ihnen selbst geschaffenen physischen Umgebung anpassen, bemerkt Lu. „Der erste Teil der Geschichte des Phanerozoikums besteht in der zunehmenden Bewohnbarkeit für Leben, der zweite Teil ist die Anpassung.“
Wenn Wissenschaftler dieses Zusammenspiel zwischen Leben und physischer Umwelt sowie die Einflussfaktoren und Grenzen der Bewohnbarkeit besser verstehen wollen, sollten sie laut den Autoren künftig die räumlichen Muster des Sauerstoffs in den Ozeanen sowie Biomarker für die Photosynthese und die Stoffwechseltoleranz von Tieren, die in Fossilienfunden nachgewiesen wurden, kartieren.
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Zunli Lu et al., Phanerozoische Koevolution von O2-CO2 und Bewohnbarkeit der Ozeane, Nationale Wissenschaftsüberprüfung (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae099