Haben Meeresschwämme als „Ökosystem-Ingenieure“ die „Kambrische Explosion“ herbeigeführt?

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Vor etwa 550 Millionen Jahren erscheinen innerhalb weniger Millionen Jahre nahezu alle heute lebenden Tierstämme auf der Erde. Diese als „Kambrische Explosion“ bekannte Ausbreitung von Mehrzellern in der Periode des Kambriums markiert den Beginn des „Phanerozoikums“, des Erdzeitalters „sichtbaren Lebens“.
Was diesen dramatischsten aller bisherigen Ökosystemwandel auf unserem Planeten so plötzlich auslöste, ist bis heute umstritten. Geologen wissen, dass zu diesem Zeitpunkt die Konzentration von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre und im Meerwasser deutlich anstieg. Da mehrzellige Tiere Sauerstoff zum Atmen benötigen, war dieser Sauerstoffanstieg für deren Entstehung maßgeblich. Doch wodurch kam es zu diesem lebensnotwendigen Anstieg der Sauerstoffkonzentration in Meerwasser? Wissenschaftler des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ haben erstmals belegt, dass Meeresschwämme Änderungen im marinen Kohlenstoff- und Phosphor-Kreislauf verursachten, die zu einem Sauerstoffanstieg führten. Damit war die Grundlage für die weitere Ausbreitung von Mehrzellern bereitet, berichtet das Team um Michael Tatzel und Friedhelm von Blanckenburg im Fachmagazin „Nature Communications“.

Den Nachweis erbrachten die GFZ-Geochemiker durch Messungen der stabilen Silizium-Isotope, also Untergruppen der chemischen Elemente, die sich durch ihre Atommasse unterschieden. Silikatische Schwämme leben auf dem Meeresboden und hinterlassen nach ihrem Tod ihre siliziumreichen Skelettnadeln (siehe Foto). Diese Nadeln bleiben allerdings nur sehr selten erhalten, wenn aus dem alten Meeresboden Gestein wird. Jedoch ist das Silizium dieser Nadeln in silikatischen Tonsteinen und Cherts (Feuersteine) überliefert. Michael Tatzel und Friedhelm von Blanckenburg haben nun stabile Siliziumisotope mit einem modernen Massenspektrometer gemessen. Schwammnadeln enthalten im Vergleich mit dem umgebenden Silikatgestein mehr leichtes Silizium-28 als Silizium-30. Mit den Isotopenmessungen kann also die ehemalige Häufigkeit nicht mehr erhaltener silikatischer Schwämme im Sediment bestimmt werden.

Mikroskopische Aufnahme einer silikatische Schwammnadel, die in einem Kambrischen Tonstein erhalten ist. Der Bildausschnitt entspricht 5 mm. (Bild: GFZ/M. Tatzel)

„Unsere Rekonstruktionen zeigen eine ansteigende Häufigkeit silikatischer Schwämme in Sedimenten, die zwischen dem Präkambrium und dem Kambrium am Kontinentalhang der heutigen Yangtze-Platform in Südchina abgelagert wurden“, sagt Michael Tatzel.
Doch was hat die Zunahme der Schwammhäufigkeit mit Sauerstoff zu tun? Dazu untersuchte Tatzel ein eine Vielzahl geochemischer Indikatoren, die empfindlich auf die Sauerstoffkonzentration im Meereswasser reagieren. Er fand heraus, dass gleichzeitig mit den Schwämmen die Menge an gelöstem Sauerstoff zunahm und ebenso die Menge an im Sediment eingelagerten Kohlenstoff. Diese grundlegenden Änderungen resultierten aus der Lebensweise von Schwämmen. Sie filtrierten zur Nahrungsaufnahme organischen Kohlenstoff aus Meerwasser und verschoben damit die Oxidation organischen Kohlenstoffs in tiefere Wasserschichten oder erschwerten sie. Dies löste eine Kettenreaktion aus: Die steigende Sauerstoffkonzentration führte zur Bindung von Phosphaten im Sediment, daraus folgte eine verringerte Phosphorkonzentration im Meerwasser, und die wiederum reduzierte das Wachstum von Algen, bei deren Oxidation im Meerwasser gelöster Sauerstoff verbraucht wird.

„Für die Hypothese, wonach Schwämme als Ökosystem-Ingenieure fungierten und Sauerstoffkonzentrationen in Meerwasser ansteigen ließen haben wir nun erstmals stichhaltige Hinweise geliefert“, sagt Michael Tatzel zur Bedeutung der neuen Studie. Es ist gut möglich, dass dieser durch Schwämme verursachte Sauerstoffanstieg die benötigte Mindestkonzentration für mehrzellige Lebewesen überschritt und somit die „Kambrische Explosion“ auslöste.

Originalstudie: Tatzel, M., von Blanckenburg, F., Oelze, M., Bouchez, J., Hippler, D., 2017. Late Neoproterozoic seawater oxygenation by siliceous sponges. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-017-00586-5

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.