Die Evolutionsgeschichte geschrieben in Phosphor

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Phosphor ist eines der Elemente, die für den Aufbau von Organismen und deren Stoffwechsel entscheidend sind. Sein Kreislauf in den verschiedenen Lebensräumen ist auch einer der am besten verstandenen. Den tschechischen Paläontologen Peter Kraft und Michal Mergl ist jedoch aufgefallen, dass es auf der Landkarte unseres Verständnisses eines so grundlegenden Prozesses noch einige weiße Flecken geben könnte. Ihre Publikation, die einen neuen Blick auf die Veränderungen des Phosphorkreislaufs im Laufe der geologischen Zeit wirft, wurde kürzlich in Trends in Ecology & Evolution veröffentlicht.

In einer umfassenden Studie interessanter, aber noch wenig bekannter devonischer Fossilien mit phosphatischen Schalen aus dem Prager Becken in der Tschechischen Republik erörtern Kraft und Mergl deren Vorkommen in der geologischen Vergangenheit. Dabei handelte es sich größtenteils um bekannte Fakten, darunter der allmähliche Rückgang, der am Ende des frühen Paläozoikums im Devon seinen Höhepunkt erreichte.

Allerdings stellten sie auch fest, dass einige Gruppen, die in den älteren Schichten durch große Exemplare vertreten waren, im Devon Zwergformen entwickelten. Es schien, als ob ihnen das Material für Schalen fehlte. Die logische Frage lautete: Warum? Die Frage nach dem radikalen Verlust von Phosphor in der Umwelt erwies sich als so faszinierend, dass die beiden Autoren sich daran machten, die verschiedenen Ecken des Zyklus dieses Elements im Detail zu untersuchen. Dieses Nebenprodukt ihrer ursprünglichen Studie entwickelte sich zu einem eigenständigen Forschungsprojekt.

“Der Phosphorkreislauf ist einer der grundlegenden Elementkreisläufe, die unter anderem eine Schlüsselrolle in der Biologie der Ozeane spielen. Daher gibt es eine Reihe von Studien dazu. Das Problem ist jedoch, dass die meisten von ihnen den Phosphorkreislauf der “menschlichen Ära” untersuchen, die den gesamten Kreislauf erheblich verändert hat. Deshalb haben wir uns entschlossen, ein synthetisches Modell der durch Phosphor beeinflussten Evolutionsgeschichte zur Veröffentlichung anzubieten”, erklärt Kraft vom Institut für Geologie und Paläontologie der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Karls-Universität Prag.

Bereits veröffentlichte Studien zeigen deutlich, dass die Verfügbarkeit von Phosphor in der Umwelt eine klare Grenze für die Ausbreitung des Lebens setzt. Und da die Verfügbarkeit dieses Elements sowohl kurzfristige als auch langfristige Prozesse beeinflussen kann, haben die Autoren beschlossen, die Rolle von Phosphor in drei Phasen der Evolution des Lebens in den Ozeanen zu erörtern.

Die erste Phase ist das späte Präkambrium (Ediacara-Zeitalter), das durch die leichte Verfügbarkeit von Phosphor und zahlreiche Phosphatanreicherungen gekennzeichnet ist. In Verbindung mit einem Anstieg des Sauerstoffgehalts kann dies als eine der Hauptursachen für die Entstehung von mehrzelligen Organismen angesehen werden.

Das frühe Paläozoikum war eine kritische Epoche des Phosphorkreislaufs, da die Biota stark in dessen Dynamik eingebunden waren. Zu Beginn war Phosphor leicht und in großen Mengen verfügbar, so dass viele Tiergruppen die Möglichkeit hatten, äußere phosphathaltige Schalen zu bilden. Dies trug höchstwahrscheinlich zur Geschichte der kambrischen Explosion bei, einer Periode, in der Vertreter fast aller Tiergruppen innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums im Fossilbericht auftauchten. Das Kambrium war somit ein “goldenes Zeitalter” für Organismen mit äußeren Phosphatschalen.

Im Ordovizium begann sich das Leben jedoch grundlegend zu verändern, wobei das so genannte Great Ordovician Biodiversification Event (GOBE) sowohl die Anzahl der Taxa als auch der Individuen stark erhöhte. Hier verlagerte sich die Hauptverwendung von Phosphor: Er wurde in den Zellstrukturen benötigt, und externe Phosphathüllen wurden zu einem Luxusgut. Dieser Prozess wurde durch das Auftauchen und die evolutionäre Diversifizierung der Wirbeltiere beschleunigt, die zwar viel Phosphor benötigen, aber besser mit ihm umgehen können. Diese zweite Evolutionsphase gipfelte in der Wirbeltierexplosion während der devonischen Nektonrevolution und markierte den Niedergang der Gruppen mit äußeren Phosphatschalen.

Die anschließende Epoche vom Ende des Paläozoikums bis heute ist durch eine begrenzte, aber auch selektive Verfügbarkeit von Phosphor in den Meeren und Ozeanen gekennzeichnet. Geologische Prozesse wie die variszische (400-300 Mio. Jahre) und die alpine Orogenese (80 Mio. Jahre bis heute) haben die Versorgung der Ozeane mit Phosphor stark begünstigt. Allerdings wurde die Fähigkeit des Phosphors, von seiner Hauptquelle in den Gesteinen der leeren Kontinente in die Ozeane zu gelangen, durch die Ausbreitung der Vegetation an Land und andere Einflüsse wie das Klima während dieser Zeit beeinträchtigt. Vor allem konzentrierte es sich in Organismen in der Wassersäule. Und pelagische Wirbeltiere waren die wichtigsten “Filter”.

“Es ist sehr interessant, dass die Schwankungen der Phosphorverfügbarkeit in den nachdevonischen Perioden die linguliden Brachiopoden betrafen, die nicht nur mit einer äußeren Phosphathülle überleben konnten, sondern auch eine vorübergehende Erholung während des Tertiärs verzeichneten”, erklärt Mergl von der Pädagogischen Fakultät der Westböhmischen Universität in Pilsen.


Veröffentlichung: Petr Kraft et al, Struggle for phosphorus and the Devonian overturn, Trends in Ecology & Evolution (2022).  DOI: 10.1016/j.tree.2022.03.009

Quelle: off. Pm. der Charles University

Titelbildunterschrift: Phosphathaltige Schale des Brachiopoden Chynithele amoena aus dem mitteldevonischen (eifelischen) Kalkstein der Tschechischen Republik. (Bildnachweis: M. Mergl.)


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie besitzt ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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