Was löste vor 460 Millionen Jahren einen dramatischen Rückgang der marinen Artenvielfalt aus?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhang Junpeng Sheng Jie (Nanjing Institut für Geologie und Paläontologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Ich glaube, jeder kennt das Phänomen der „Roten Flut“. Dieses Phänomen der Algenblüte, das häufig in Seen und halbgeschlossenen Buchten auftritt, ist ein sehr lästiges Umweltproblem.

Die „Rote Flut“ ist ein in der heutigen Zeit weit verbreitetes Phänomen der Eutrophierung von Gewässern , das meist durch große Mengen an Nährstoffen wie Phosphor und Eisen reichen Industrieabwässern verursacht wird . Bei einer Roten Flut kommt es zumindest zu einer explosionsartigen Algenvermehrung an der Wasseroberfläche, einer Abnahme der Lichtdurchlässigkeit und des gelösten Sauerstoffgehalts im Wasser, einer chemischen Schichtung im Wasser, hochgiftigen Bestandteilen wie Schwefelwasserstoff am Boden und toten Fischen und anderen Wassertieren an der Oberfläche. Die Kadaver können sich sogar so weit entwickeln, dass die Ökologie schwer geschädigt wird.

Abbildung 1 Rote Flut

(Fotoquelle: Pudong Environment)

Können Sie sich vorstellen, dass es vor 460 Millionen Jahren in den Gewässern der Erde in niedrigen Breitengraden zu einer großflächigen „Roten Flut“ kam, die große Auswirkungen auf die Meeresökologie hatte und zahllose Meereslebewesen tötete …

Kürzlich führte ein chinesisch-amerikanisches Forschungsteam unter der Leitung von Forschern des Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften paläontologische und sedimentgeochemische Untersuchungen an marinen Schwarzschiefern durch, die vor 460 Millionen Jahren konserviert wurden . Sie stellten fest, dass die damalige Ausdehnung sauerstoffarmer Meeresgewässer zu einer erheblichen Verringerung der marinen Biodiversität geführt und die „Pause-Taste“ für die damalige „Ordovizische Große Radiation“ gedrückt hatte. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der umfassenden geowissenschaftlichen Fachzeitschrift Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht.

Was die „ordovizische Bioradiation“ ist, warum wir mit der Erforschung von marinem Schwarzschiefer beginnen müssen und welche schwerwiegenden Folgen die Ausbreitung sauerstoffarmer Gewässer im Ozean haben wird – wenn Sie interessiert sind, lesen Sie gemeinsam weiter!

Das Aufblühen des Lebens: die ordovizische biologische Strahlung

Im Laufe der Jahre verlief der Prozess der biologischen Evolution relativ langsam. Während kritischer geologischer Perioden wie der Großen Biologischen Radiation brachte der Ozean, die Wiege des Lebens auf der Erde, in relativ kurzer Zeit eine Vielzahl von Organismen hervor. Die allgemein bekannte „Kambrische Explosion“ ist ein großflächiges biologisches Strahlungsereignis.

Die „ordovizische biologische Radiation“, die vor 460 Millionen Jahren stattfand, wurde einst als das größte biologische Radiationsereignis in der Geschichte der biologischen Evolution auf der Erde nach der „kambrischen Explosion“ gefeiert.

Dieses biologische Radiationsereignis manifestierte sich nicht nur in der Verdoppelung der marinen Biodiversität auf Gattungs- und Artenebene , sondern auch in der allmählichen Komplexität und Stabilität des Ökosystems , beispielsweise in der Entstehung eines komplexen Räuber-Beute-Netzwerks, der ökologischen Ausbreitung planktonischer und schwimmender Tiere und der Entwicklung benthischer ökologischer Gemeinschaften. Der Ozean war zu dieser Zeit voller Vitalität (Abbildung 2), und zur gleichen Zeit waren auch die ersten Pflanzen an Land gelandet und hatten ihre lange Ausbreitungsreise begonnen.

Abbildung 2 Karte zur Wiederherstellung des marinen Ökosystems im Ordovizium

(Bildquelle: Fang Xiang et al., 2022)

Der Grund für den Wohlstandsverlust: die Ausbreitung hypoxischen Meerwassers

Eine derart blühende Lebensszene konnte jedoch nicht lange bestehen, und das Gleiche galt für die biologische Radiation im Ordovizium.

In den letzten Jahren haben hochauflösende Biodiversitätskurven mithilfe des Einsatzes von Supercomputern und eingehender Forschung zur „ordovizischen biologischen Radiation“ gezeigt, dass die Biodiversität während dieses biologischen Radiationsereignisses nach Erreichen ihres Höhepunktes innerhalb von etwa 10 Millionen Jahren weiter um etwa 50 % zurückging . Dieser offensichtliche Wendepunkt hat die Aufmerksamkeit der Geologen auf sich gezogen.

Früheren Studien zufolge profitierte die biologische Radiation im Ordovizium von Umweltveränderungen wie der globalen Klimaabkühlung und dem erhöhten Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, die im frühen Ordovizium begannen.

Allerdings hat sich in den Schichten des mittleren und oberen Ordoviziums in Hunan, Jiangxi, Anhui, Zhejiang und anderen Regionen Südchinas eine große Anzahl organischer Tonsteine ​​(auch „Schwarzschiefer“ genannt) gebildet, was darauf schließen lässt, dass der Meeresboden zu dieser Zeit wahrscheinlich sauerstoffarm war .

Wenn die große biologische Strahlung hypothetisch von der Zunahme des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre profitierte, dann ist die großflächige Hypoxie am Meeresboden wahrscheinlich der Grund für die Pause bei der großen biologischen Strahlung.

Die Forscher leiteten daher weitere Untersuchungen ein. Durch die Analyse der Haupt- und Spurenelemente, der Eisenzusammensetzung und der Pyritmorphologie sowie der Stickstoff- und Molybdänisotope dieser Sedimentgesteine ​​wurde festgestellt, dass es damals in den Oberflächengewässern weit vom Ufer entfernt zu einer Eutrophierung kam und die sauerstoffarmen Gewässer am Boden sich allmählich ausdehnten und sogar einen anaeroben Zustand erreichten, d. h., in den Bodengewässern traten große Mengen hochgiftiger Bestandteile wie Schwefelwasserstoff auf.

Es gab keine Einleitung von Industrieabwässern in die ordovizischen Ozeane. Warum kam es dann zu Phänomenen, die den „Roten Gezeiten“ ähnelten?

Zum Mechanismus hinter diesen Phänomenen erklärten die Forscher: „In der Mitte des Ordoviziums sank die Temperatur weiter und deutlich , wodurch sich die kalten Strömungen in der Tiefsee der hohen Breiten verstärkten . In Form von Auftriebsströmungen wurden große Mengen Nährstoffe in die Küstenbecken der mittleren und niedrigen Breiten getragen und führten dort zur Eutrophierung der Oberflächengewässer, was dem Phänomen der Roten Flut in heutigen Seen ähnelt.“

Basierend auf dieser Schlussfolgerung untersuchten Forscher zeitgenössische Schichten in anderen Teilen der Welt und fanden heraus, dass dieses Phänomen damals nicht auf die Südchinesische Platte beschränkt war . Auf der Nordchinesischen Platte und der Tarimplatte Chinas, der Laurentplatte Amerikas und der Baltischen Platte Europas gab es allesamt gleichzeitige Vorkommen von schwarzem Schiefer . Dies zeigt, dass der Ozean zu dieser Zeit nicht so stark oxidiert war, wie frühere Studien angenommen hatten. Gleichzeitig können die in dieser Studie erstmals berichteten Molybdän-Isotopennachweise und Simulationsergebnisse des mittelordovizischen Schwarzschiefers in Südchina dies bestätigen.

Abbildung 3: Ein umfassendes Diagramm der Klima- und Meeresumweltveränderungen und biogeologischen Ereignisse im mittleren Ordovizium, von oben nach unten: Nachweis von Kohlenstoffisotopen, Nachweis von Sauerstoffisotopen und deren Spiegelung der Trends der Meerestemperaturveränderungen, der Meeresspiegelveränderungen und der Verteilung sauerstofffreier Gewässer, Nachweis von Molybdänisotopen und Daten zur Artenvielfalt (Artenebene) usw.

(Bildquelle: Zhang Junpeng et al. 2022)

Der „tödliche Atem“ des Ozeans – die enormen Auswirkungen des Sauerstoffmangels im Meer

Mittlerweile wissen wir, dass sich die sauerstoffarmen Gewässer des Ozeans in der mittleren und späten Phase der ordovizischen Radiation deutlich ausdehnten. Welche Auswirkungen hatte dieses Phänomen auf die Meeresökologie?

Die Klimaabkühlung wird sich auf die Ökologie der Oberflächengewässer auswirken. Gleichzeitig führt die Eutrophierung der Gewässer dazu, dass große Mengen organischen Kohlenstoffs auf den Meeresboden sinken. Durch die Oxidation und Zersetzung organischer Stoffe wird der im Wasser gelöste Sauerstoff verbraucht, was zu einer großflächigen Ausbreitung sauerstoffarmen Meerwassers führt. Gewässer, denen es an gelöstem Sauerstoff mangelt und die mit Schwefelwasserstoff angereichert sind, verursachen tödliche Schäden an den Meeresökosystemen (insbesondere an den benthischen Gemeinschaften).

Daher wird diese Reihe von Klima- und Umweltveränderungen als Hauptursache für den Wendepunkt in der großen biologischen Radiation im mittleren bis späten Ordovizium angesehen.

Ähnliche Phänomene sind in der Erdgeschichte mehrfach aufgetreten. Das bekannteste Ereignis ist das „End-Perm-Massenaussterben“ vor 250 Millionen Jahren, das größte bekannte biologische Aussterbeereignis, das auch mit der globalen Sauerstoffarmut der Ozeane in Zusammenhang steht.

Die Idee „Aus der Vergangenheit lernen, um die Gegenwart zu gestalten“ – Inspiration für den Umweltschutz durch die Erforschung der Erdgeschichte gewinnen

Neben den biologischen Aussterbeereignissen in der Erdgeschichte sind auch die Katastrophen, die durch das Ausbrechen des „stabilen Zustands“ des Erdklimas verursacht werden können, für uns heute eine Quelle der Inspiration.

Geowissenschaftler aus verschiedenen Ländern und Regionen sind sich über die globale Erwärmung einig. Wenn wir uns jedoch mit dem Klimawandel befassen, sollten wir ihn nicht einfach als Anstieg oder Abfall der Durchschnittstemperatur verstehen. Stattdessen sollten wir an die Reihe extremer Wetter- und Umweltkatastrophen denken, die auftreten, wenn das Klima der Erde aus dem Gleichgewicht gerät, wie es auch in der Erdgeschichte der Fall ist , beispielsweise beim Karnischen Alluvialereignis, das in der Obertrias vor 230 Millionen Jahren eine Million Jahre andauerte.

Gleichzeitig ist das von unserem Land in den letzten Jahren vorgeschlagene „duale Kohlenstoffziel“ eine wichtige Strategie, um aktiv auf das globale Problem des Klimawandels zu reagieren . In seinem neuesten wichtigen Buch „Kohlenstoffneutralität: Logisches System und technologische Anforderungen“ erwähnte Akademiker Ding Zhongli von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass „Kohlenstoffneutralität unter den beiden Aspekten Kohlenstoffemissionen (Kohlenstoffquelle) und Kohlenstofffixierung (Kohlenstoffsenke) verstanden werden sollte“. Bei beiden Prozessen nimmt die Natur einen wichtigen Anteil ein .

Im Laufe der Erdgeschichte waren Vulkanausbrüche eine wichtige Form der Kohlenstoffemission, marine Karbonatfabriken und die organische Kohlenstoffablagerung waren wichtige Prozesse der Kohlenstofffixierung und „Schwarzschiefer“ ist ein wichtiges Produkt und Beweis für die marine Kohlenstoffablagerung im Laufe der Erdgeschichte.

Daher können die Erforschung des „Kohlenstoffs“ in der Erdgeschichte und die eingehende Forschung zu den damit verbundenen Klima- und Umweltveränderungen wichtige Hinweise und Anregungen für die Umsetzung der „dualen Kohlenstoff“-Strategie heute liefern. Nur wenn wir die Gegenwart mit der Vergangenheit diskutieren und Lehren aus der Vergangenheit ziehen, können wir in der Gegenwart bessere Praktiken anwenden und der Zukunft zugute kommen.

Herausgeber: Guo Yaxin