Wissenschaftler entschlüsseln die Wechselwirkungen zwischen den frühesten Lebensformen der Erde und ihrer Umwelt über einen Zeitraum von 500 Millionen Jahren

Die Atmosphäre, die Ozeane und das Leben auf der Erde haben in den letzten 500 Millionen Jahren auf eine Weise zusammengewirkt, die die Lebensbedingungen früher Organismen verbessert hat. Nun hat ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern einen Übersichtsartikel zu dieser koevolutionären Geschichte verfasst, der in veröffentlicht wurde National Science Review.

„Eine unserer Aufgaben bestand darin, die wichtigsten Entdeckungen über Kohlendioxid und Sauerstoff in der Atmosphäre und im Ozean der letzten 500 Millionen Jahre zusammenzufassen“, sagt Zunli Lu, Professorin für Geochemie an der Syracuse University und Hauptautorin der Studie. „Wir haben untersucht, wie sich diese physikalischen Veränderungen auf die Entwicklung des Lebens im Ozean auswirken. Aber es ist eine Einbahnstraße. Die Evolution des Lebens hatte auch Auswirkungen auf die chemische Umwelt. Es ist keine leichte Aufgabe zu verstehen, wie man über lange Zeiträume eine bewohnbare Erde schaffen kann. »

Das Team der Syracuse University, der Oxford University und der Stanford University erforschte die komplexen Rückkopplungen zwischen antiken Lebensformen, einschließlich Pflanzen und Tieren, und der chemischen Umgebung des aktuellen Phanerozoikums, das vor etwa 540 Millionen Jahren begann.

Zu Beginn des Phanerozoikums war der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre hoch und der Sauerstoffgehalt niedrig. Solche Bedingungen hätten das Überleben vieler moderner Organismen erschwert. Aber Algen haben die Situation verändert. Sie absorbierten Kohlendioxid aus der Atmosphäre, schlossen es in organischer Substanz ein und produzierten durch Photosynthese Sauerstoff.

Die Fähigkeit der Tiere, in einer Meeresumgebung zu leben, wurde durch den Sauerstoffgehalt beeinflusst. Lu untersucht mithilfe geochemischer Proxies und Modellsimulationen, wo und wann der Sauerstoffgehalt der Ozeane während des Phanerozoikums gestiegen oder gesunken ist. Co-Autor Jonathan Payne, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Stanford University, vergleicht den geschätzten Stoffwechselbedarf eines alten Tieres mit dem Ort, an dem es im Fossilienbestand überlebte oder ausstarb.

Photosynthetische Algen entfernten atmosphärischen Kohlenstoff in Sedimentgesteinen, um den Kohlendioxidgehalt zu senken und den Sauerstoffgehalt zu erhöhen. Algenenzyme wurden daher bei der Bindung von Kohlenstoff weniger wirksam. Daher mussten Algen komplexere Methoden entwickeln, um die Photosynthese bei niedrigerem Kohlendioxid- und höherem Sauerstoffgehalt durchzuführen, und sie erreichten dies durch die Schaffung interner Kompartimente für die Photosynthese mit Kontrolle über die Chemie.

„Für Algen sind das die Änderungen im Umweltbericht von O₂/CO₂ „Diese Veränderungen scheinen der Schlüssel zur Verbesserung der Photosyntheseeffizienz zu sein“, sagt Co-Autorin Rosalind Rickaby, Professorin für Geologie in Oxford. „Was wirklich faszinierend ist, ist, dass diese Verbesserungen der Photosyntheseeffizienz möglicherweise die chemische Hülle der Bewohnbarkeit vieler Lebensformen erweitert haben. »

„Der erste Teil der Geschichte des Phanerozoikums ist der der zunehmenden Bewohnbarkeit des Lebens, der zweite Teil ist der der Anpassung.“ »

Wenn Wissenschaftler diese Wechselwirkung zwischen Leben und physischer Umwelt sowie die Treiber und Grenzen der Bewohnbarkeit besser verstehen wollen, schlagen die Autoren vor, räumliche Muster des Ozeansauerstoffs, Biomarker der Photosynthese und der Stoffwechseltoleranz der im Fossilienbestand vorhandenen Tiere zu kartieren wird eine Schlüsselrichtung zukünftiger Forschung sein.