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

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

Die Ankunft von Pflanzen auf der Erde vor etwa 400 Millionen Jahren könnte die Art und Weise verändert haben, wie die Erde ihr eigenes Klima auf natürliche Weise reguliert, so eine neue Studie von Forschern des UCL (University College London) und Yale.

Der Kohlenstoffkreislauf, der Prozess, bei dem sich Kohlenstoff zwischen Gesteinen, Ozeanen, lebenden Organismen und der Atmosphäre bewegt, wirkt wie der natürliche Thermostat der Erde und reguliert seine Temperatur über lange Zeiträume.

In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturuntersuchten die Forscher Gesteinsproben der letzten drei Milliarden Jahre und fanden Hinweise auf eine drastische Veränderung dieses Kreislaufs vor etwa 400 Millionen Jahren, als Pflanzen begannen, die Erde zu besiedeln.

Konkret stellten die Forscher eine im Gestein aufgezeichnete Veränderung der Meerwasserchemie fest, die auf eine starke Veränderung der Gesamtbildung von Ton – der „Tonmineralfabrik“ – von den Ozeanen bis zum Meer hindeutet.

Probenahme ordovizischer Sedimente (450 Millionen Jahre alt) durch die Erstautorin Boriana Kalderon-Asael. Bildnachweis: Ashleigh Hood

Da die Bildung von Ton im Ozean (Reverse Weathering) zur Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre führt, während Ton an Land ein Nebenprodukt der chemischen Verwitterung ist, die Kohlendioxid aus der Luft entfernt, reduziert dies die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre, was zu einem kühleren Planeten und einem Sägezahnklima mit abwechselnden Eiszeiten und wärmeren Perioden führt.

Die Forscher vermuteten, dass die Veränderung durch die Ausbreitung von Landpflanzen verursacht wurde, die Böden und Lehm auf dem Land halten, den Transport von Kohlenstoff in den Ozean verhindern, und das Wachstum von Meereslebewesen mit Silizium für ihre Skelette und ihre Zellwände, wie Schwämme , allein – Zellalgen und Radiolarien (Gruppe von Protozoen), die zu einer Abnahme des für die Tonbildung notwendigen Siliziums im Meerwasser führen.

Hauptautor Dr. Philip Pogge von Strandmann (UCL Earth Sciences) sagte: „Unsere Studie legt nahe, dass der Kohlenstoffkreislauf für einen Großteil der Erdgeschichte auf grundlegend andere Weise funktioniert hat als heute.

„Der Wandel, der vor 400 bis 500 Millionen Jahren allmählich stattfand, scheint mit zwei großen biologischen Innovationen der damaligen Zeit verbunden zu sein: die Vermehrung von Pflanzen an Land und das Wachstum von Meeresorganismen, die daraus Silizium extrahieren ihre Skelette und Zellwände.

„Vor dieser Änderung blieb der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre hoch, was zu einem stabilen Treibhausklima führte. Seitdem hat sich unser Klima zwischen Eiszeiten und wärmeren Perioden erholt. Diese Art der Veränderung begünstigt die Evolution und während dieser Zeit hat sich die komplexe Lebensevolution beschleunigt, mit der erstmaligen Bildung von Landtieren.

„Eine kohlenstoffärmere Atmosphäre reagiert auch empfindlicher auf Veränderungen, was es dem Menschen erleichtert, das Klima durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu beeinflussen.“

Erstautorin Boriana Kalderon-Asael, Doktorandin an der Yale University, sagte: „Durch die Messung von Lithiumisotopen in Gesteinen, die den größten Teil der Erdgeschichte umfassen, wollten wir feststellen, ob sich über einen großen Zeitraum etwas an der Funktionsweise des Kohlenstoffkreislaufs geändert hat. Wir fanden heraus, dass dies der Fall war, und diese Veränderung scheint mit dem Wachstum von Pflanzen an Land und Tieren mit Silizium im Meer zusammenzuhängen.

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 auf der Erde langsam bildet, begünstigt er stark Lithium-6, wodurch das umgebende Wasser mit dem anderen schwereren Isotop Lithium-7 angereichert wird. Durch die Analyse ihrer Proben mit Massenspektrometrie fanden die Forscher einen Anstieg des Lithiumisotops 7 im Meerwasser, der vor 400 bis 500 Millionen Jahren im Gestein aufgezeichnet wurde, was auf eine große Verschiebung der Tonproduktion auf der Erde zeitgleich mit der Ausbreitung von Pflanzen auf der Erde hindeutet Erde und die Entstehung von Meereslebewesen mit Silizium.

Ton bildet sich auf der Erde als Rest chemischer Verwitterung, dem wichtigsten langfristigen Prozess, durch den Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt wird. Dies geschieht, wenn sich atmosphärischer Kohlenstoff mit Wasser zu einer schwachen Säure, Kohlensäure, verbindet, die als Regen auf den Boden fällt und Gesteine ​​auflöst, wobei Ionen, einschließlich Kalziumionen, freigesetzt werden, die in den Ozean abfließen. Schließlich wird der Kohlenstoff in den Felsen am Meeresgrund eingeschlossen. Im Gegensatz dazu wird die Reduzierung von Kohlenstoff durch Photosynthese in Pflanzen rückgängig gemacht, sobald sich Pflanzen zersetzen, und beeinflusst den Kohlendioxidgehalt selten über Zeiträume von mehr als einigen hundert Jahren.

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

Referenz: „Eine Lithium-Isotopen-Perspektive zur Evolution von Kohlenstoff- und Siliziumzyklen“ von Boriana Kalderon-Asael, Joachim AR Katchinoff, Noah J. Planavsky, Ashleigh v. S. Hood, Mathieu Dellinger, Eric J. Bellefroid, David S. Jones, Axel Hofmann, Frantz Ossa Ossa, Francis A. Macdonald, Chunjiang Wang, Terry T. Isson, Jack G. Murphy, John A. Higgins, A. Joshua West, Malcolm W. Wallace, Dan Asael und Philip AE Pogge von Strandmann, 14. Juli 2021, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03612-1

Die Studie wurde vom Europäischen Forschungsrat und der NASA unterstützt.