Pflanzen konnten vor 250 Millionen Jahren die Erde „umgestalten“

Kürzlich konnte ein Team von Pflanzenpaläoökologen unter der Leitung von Professor Feng Zhuo vom Institut für Paläontologie der Universität Yunnan mithilfe verschiedener Techniken und kombinierter Vergleichsstudien an lebenden und fossilen Pflanzen bestätigen, dass Pflanzen bereits vor 250 Millionen Jahren über starke Fähigkeiten zur Biomineralisierung von Silizium verfügten. Damit wurden erstmals direkte fossile Beweise für die transformative Rolle der Pflanzen in der Evolution des Erdsystems vorgelegt. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift National Science Review veröffentlicht.

Seit die Pflanzen vor 470 Millionen Jahren „landeten“, haben sie auf ihre einzigartige Weise still und leise alle Schichten der Erde verändert und die Erde nach und nach zu der lebenswerten Heimat gemacht, die wir heute haben. Einerseits nehmen Pflanzen durch die uns bekannte Photosynthese Kohlendioxid auf und geben Sauerstoff ab. Dieser physiologische Stoffwechselprozess verändert die atmosphärische Zusammensetzung der Erdatmosphäre, das heißt, er verringert den Kohlendioxidgehalt und erhöht gleichzeitig den Sauerstoffgehalt. Dies führt zu einer vollständigen Umwandlung der Umgebung mit hohem Kohlendioxidgehalt und geringem Sauerstoffgehalt, die lange Zeit auf der frühen Erde herrschte. Andererseits verfügen Pflanzen auch über eine besondere physiologische Stoffwechselfähigkeit: Sie nehmen Silizium aus der Umgebung auf und scheiden Siliziumdioxid im Körper oder auf der Körperoberfläche aus. Dieser Vorgang wird als „Silizium-Biomineralisierung“ von Pflanzen bezeichnet. Die Löslichkeit von Kieselsäure wird nach der Pflanzenmineralisierung erheblich verbessert. Nach dem Absterben der Pflanzen gelangt das Siliziumdioxid durch den Oberflächenabfluss in den Meereskreislauf und dient als Nahrung für planktonische Mikroorganismen im Meer (vor allem Kieselalgen). Dadurch wird der Kohlenstoffkreislauf im Meer gefördert und zusätzlich Kohlendioxid in der Atmosphäre verbraucht.

Abbildung 1. Spätpermisches (vor etwa 250 Millionen Jahren) Selaginella-Blattfossil

Die Silizium-Biomineralisierung in Pflanzen hat auch viele Vorteile für die Pflanzen selbst. Wir alle erinnern uns bestimmt noch an die Geschichte von Lu Bans Erfindung der Säge, die wir in unserer Jugend gehört haben: Lu Ban hatte sich die Hand am Gras zerkratzt und wurde dadurch zur Erfindung der Säge inspiriert. Dies liegt daran, dass Süßgräser eine starke Fähigkeit zur Biomineralisierung von Silizium besitzen und sich daher eine große Menge mikroskopisch kleiner „Glassplitter“ in den Blättern ablagern. Bei diesen scharfen Glassplittern handelt es sich um Stoffwechselprodukte der Pflanzenmineralisierung – Phytolithen. Mit Phytolithen werden die Widerstandsfähigkeit und Stärke des Pflanzenkörpers erheblich gesteigert und auch die Widerstandsfähigkeit der Pflanze gegen Lagern sowie Krankheiten und Schädlinge wird deutlich verbessert.

Abbildung 2. In situ konservierte Phytolithen in einem Selaginella-Blatt aus dem späten Perm (vor etwa 250 Millionen Jahren)

Durch morphologische, anatomische und genomische Untersuchungen an lebenden Pflanzen haben Wissenschaftler herausgefunden, dass im heutigen Pflanzenreich Selaginella, Equisetum, Poaceae, Cyperaceae und einige Farne über eine starke Fähigkeit zur Siliziummineralisierung verfügen und große Mengen an Phytolithen in und auf ihrem Körper bilden können, während Gymnospermen wie Kiefern und Zypressen nur eine sehr schwache Fähigkeit zur Siliziummineralisierung haben. Molekularbiologische Untersuchungen und Fossilienfunde bestätigen, dass Selaginella sehr konservativ war und in seiner 370 Millionen Jahre währenden Evolutionsgeschichte nahezu keine Veränderungen erfahren hat. Wissenschaftler gehen daher davon aus, dass die Silizium-Biomineralisierung in Pflanzen bereits in der frühen Evolutionsphase existierte und einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung des frühen Erdsystems hatte. Aufgrund fehlender direkter fossiler Belege haben wir die Evolution der Silizium-Biomineralisierung in Pflanzen und ihre Auswirkungen auf das Erdsystem jedoch noch nicht verstanden.

Unter der Leitung des Forschers Feng Zhuo vom Institut für Paläontologie der Universität Yunnan entdeckte ein Team über 100 wunderschön erhaltene Selaginella-Blattfossilien in den permischen Schichten in Fuyuan, Qujing, Yunnan. Basierend auf Methoden wie Morphologie, Anatomie und In-situ-Elementenergiespektrumanalyse (SEM-EDX) und kombiniert mit vergleichenden Studien an lebenden Selaginella wurde bestätigt, dass diese 250 Millionen Jahre alten fossilen Selaginella bereits über eine starke Fähigkeit zur Biomineralisierung von Silizium verfügten. Damit wurde zum ersten Mal ein direkter fossiler Beweis für die Transformation des frühen Erdsystems durch Pflanzen erbracht.

Abbildung 3. SEM-EDX-Spektrumanalyse von Selaginella-Blattfossilien aus dem späten Perm (vor etwa 250 Millionen Jahren)

Erwähnenswert ist, dass es sich bei dem von Feng Zhuo und anderen entdeckten Fossil Selaginella um ein in Form einer Kutikula konserviertes Exemplar handelt. Um den experimentellen Fortschritt zu beschleunigen, werden bei herkömmlichen Forschungsmethoden derartige konservierte fossile Materialien mit hochkonzentrierten Reagenzien wie starken Säuren (Flusssäure, Salzsäure) und starken Basen (Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid) behandelt. Da Kieselsäure in Flusssäure sehr gut löslich ist, können mit herkömmlichen experimentellen Methoden keine in situ konservierten Phytolithproben gewonnen werden. Während des Forschungsprozesses vermieden Feng Zhuo und andere den Einsatz von Flusssäure und verwendeten zur Behandlung der Proben direkt Salzsäure, die sie anschließend entsprechend erhitzten. Die von Feng Zhuo et al. verwendete Methode. ist viel zeitaufwändiger als herkömmliche Methoden. Der Versuchszyklus dauert normalerweise mehrere Monate, es können jedoch vollständige, vor Ort konservierte Phytolithproben gewonnen werden. Die von Feng Zhuo und anderen verwendete experimentelle Methode stellt eine wichtige Referenz für zukünftige Wissenschaftler dar, um den Ursprung und die Entwicklung der Silizium-Biomineralisierung in Pflanzen und ihre Rolle in der Entwicklung des Erdsystems aufzudecken.