Die Ankunft der Landpflanzen vor 400 Millionen Jahren veränderte das Klimasystem der Erde

Auf den Algen sammelt sich Wasser. Die ersten Landpflanzen galten als nicht vaskulär, wie Algen. Bildnachweis: Katmai Preserve NPS Foto/Russ Taylor

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern des UCL (University College London) und Yale zeigt, dass die Ankunft der Pflanzen auf der Erde vor etwa 400 Millionen Jahren die natürliche Klimaregulierung der Erde verändert hat.

Der Kohlenstoffkreislauf, der Prozess, bei dem sich Kohlenstoff zwischen Gesteinen, Ozeanen, Lebewesen und der Atmosphäre bewegt, fungiert als natürlicher Thermostat der Erde und reguliert seine Temperatur über lange Zeiträume.

In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde NaturIn der Studie untersuchten die Forscher Gesteinsproben der letzten drei Milliarden Jahre und fanden Beweise für eine dramatische Veränderung dieses Zyklus vor etwa 400 Millionen Jahren, als Pflanzen begannen, die Erde zu besiedeln.

Insbesondere beobachteten die Forscher eine Veränderung der Chemie des im Gestein aufgezeichneten Meerwassers, was auf eine signifikante Verschiebung der globalen Zusammensetzung von Schlamm – der „Schlammfabrik“ – von Ozeanen auf Land hindeutet.

Probenahme der ordovizischen Sedimente (die 450 Millionen Jahre alt sind) durch die Erstautorin Boriana Kalderon-Asael. Bildnachweis: Ashley Hood

Da im Ozean gebildeter Schlamm (Reverse Weathering) Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzt, während Schlamm an Land ein Nebenprodukt der chemischen Verwitterung ist, die Kohlendioxid aus der Luft entfernt, reduziert dies die Kohlenstoffmenge in der Atmosphäre, was zu einem kühleren Planeten und ein wechselhaftes Klima mit abwechselnden Eiszeiten und wärmeren Perioden.

Die Forscher vermuteten, dass der Wechsel durch die Ausbreitung von Landpflanzen verursacht wurde, die Boden und Schlamm an Land halten, das Stoppen der Kohlenstoffdrift in den Ozean und das Wachstum von Meereslebewesen, die Silizium für ihre Skelette und Zellwände verwenden, wie Schwämme, Vereinzelung aus. Zelluläre und radioaktive Algen (eine Gruppe von Protozoen), die zu einer Abnahme des für die Schlammbildung notwendigen Siliziums im Meerwasser führen.

Senior-Autor Dr. Philipp Pugh von Strandmann (UCL Earth Sciences) sagte: „Unsere Studie zeigt, dass der Kohlenstoffkreislauf für den größten Teil der Erdgeschichte ganz anders funktioniert als heute.

„Die Transformation, die vor 400 bis 500 Millionen Jahren allmählich stattfand, scheint damals mit zwei großen biologischen Innovationen verbunden zu sein: der Ausbreitung von Pflanzen an Land und dem Wachstum von Meeresorganismen, die Silizium aus dem Wasser extrahieren, um ihre Skelette zu bilden, und Zellwände.

Vor dieser Änderung blieb atmosphärisches Kohlendioxid erhöht und stabilisierte das Klima der globalen Erwärmung. Seitdem hat sich unser Klima zwischen Eiszeiten und wärmeren Perioden hin und her bewegt. Diese Art von Veränderung fördert die Evolution und während dieser Zeit beschleunigte sich die Evolution des komplexen Lebens, wobei sich zum ersten Mal Landtiere bildeten.

„Eine weniger kohlenstoffreiche Atmosphäre reagiert auch empfindlicher auf Veränderungen, so dass der Mensch das Klima durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe leichter beeinflussen kann.“

„Durch die Messung von Lithiumisotopen in Gesteinen, die den größten Teil der Erdgeschichte abdecken, wollten wir überprüfen, ob sich über einen längeren Zeitraum etwas an der Funktionsweise des Kohlenstoffkreislaufs geändert hat“, sagte Erstautorin Boriana Calderon Asyl, Doktorandin an der Yale University . Diese Veränderung scheint mit dem Wachstum von Pflanzen an Land und Tieren zusammenzuhängen, die Silizium im Meer verwenden.“

In der Studie haben die Forscher Lithiumisotope in 600 Gesteinsproben gemessen, die an vielen verschiedenen Orten auf der ganzen Welt entnommen wurden. Lithium hat zwei natürlich vorkommende stabile Isotope – eines mit drei Protonen und drei Neutronen und eines mit drei Protonen und vier Neutronen.

Wenn sich Ton an Land langsam bildet, begünstigt er Lithium-6 stark und hinterlässt das umgebende Wasser reich an dem schwereren Isotop Lithium 7. Bei der Analyse ihrer Proben mit Massenspektrometrie fanden die Forscher erhöhte Lithium-7-Werte im Meerwasser, die in Gesteinen aufgezeichnet wurden die vor 400 und 500 Millionen Jahren stattfanden, was auf eine signifikante Verschiebung der Tonproduktion auf der Erde hindeutet, die mit der Ausbreitung von Pflanzen an Land und der Entstehung von Meereslebewesen mit Silizium zusammenfällt.

Schlamm bildet sich auf der Erde als Überbleibsel der chemischen Verwitterung, dem primären langfristigen Prozess, durch den Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt wird. Dies geschieht, wenn sich Kohlenstoff in der Atmosphäre mit Wasser zu einer schwachen Säure, Kohlensäure, verbindet, die in Form von Regen zu Boden fällt und Gesteine ​​auflöst, wobei Ionen einschließlich Kalziumionen freigesetzt werden, die in den Ozean fließen. Schließlich wird der Kohlenstoff in den Gesteinen am Meeresboden eingeschlossen. Im Gegensatz dazu werden Kohlenstoffentnahmen durch die Pflanzenphotosynthese zunichte gemacht, sobald sich Pflanzen zersetzen, und es beeinflusst selten den Kohlendioxidgehalt über Zeiträume von mehr als einigen hundert Jahren.

Wenn sich im Ozean Schlamm bildet, bleibt der Kohlenstoff im Wasser und wird schließlich als Teil des fortlaufenden Kohlenstoffaustauschs, der auftritt, wenn Luft auf Wasser trifft, in die Luft abgegeben.

Referenz: „The Lithium-Isotope Perspective on the Evolution of Carbon and Silicon Cycles“ von Boriana Calderon-Asyl, Joachim AR Kacchinov, Noah J. Blanavsky, Ashley v. S. Hood, Matthew Dillinger, Eric J. Belfreud, David S. Jones, Axel Hoffmann, Frantz USA USA, Frances A. McDonald, Zhongyang Wang, Terry T. Eason, Jack J. Murphy, John A. Higgins, A. Joshua West, Malcolm W. Wallace, Dan Asel und Philip AE Pugh von Strandmann , 14. Juli 2021, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03612-1

Die Studie wurde vom Europäischen Forschungsrat und der NASA unterstützt.