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Magnetfossilien zeigen den Sauerstoffgehalt der Tiefsee
Manche Bakterien hinterlassen in Meeresablagerungen winzige magnetische Kristalle. Deren Form verrät offenbar mehr als bisher angenommen: Eine neue Kalibrierung verbindet unterschiedliche Kristalltypen mit dem Sauerstoffgehalt des Tiefenwassers. Damit ließen sich frühere Sauerstoffkonzentrationen auch dort abschätzen, wo andere geologische Indikatoren nur begrenzt nutzbar sind.
Edinburgh (Schottland). Wie viel Sauerstoff in den Tiefen der Ozeane gelöst ist, beeinflusst die dortigen Lebensgemeinschaften und den marinen Kohlenstoffkreislauf. Der Sauerstoffschwund in den Ozeanen macht es besonders wichtig, frühere Veränderungen dieses Vorrats zu verstehen. Messreihen reichen dafür jedoch nicht weit genug in die Vergangenheit zurück.
Meeresablagerungen bewahren Spuren der damaligen Umweltbedingungen. Viele dieser geologischen Indikatoren zeigen bislang allerdings vor allem an, ob das Meerwasser sauerstoffreicher oder sauerstoffärmer war. Absolute Konzentrationen lassen sich gerade aus gut durchlüfteten, kalkarmen Tiefseeregionen nur schwer rekonstruieren.
Forscher der Peking University (PKU) um Prof. Liao Chang haben deshalb untersucht, ob fossile magnetische Mineralpartikel als genauerer Maßstab dienen können. Dafür analysierte das Team 217 Sedimentproben aus dem Indischen und Pazifischen Ozean und bezog bereits veröffentlichte Vergleichsdaten ein. Die Proben stammen aus oberflächennahen Ablagerungen, die überwiegend heutige oder geologisch junge Bedingungen widerspiegeln.
Die untersuchten Partikel stammen von magnetotaktischen Bakterien. Diese Mikroorganismen bilden in ihrem Inneren winzige Magnetitkristalle, die wie eine Kompassnadel auf das Erdmagnetfeld reagieren. Nach dem Absterben der Bakterien können die mineralischen Teilchen als sogenannte Magnetfossilien im Meeresboden erhalten bleiben.
Für acht ausgewählte Proben untersuchten die Wissenschaftler insgesamt 4.516 dieser Kristalle mit einem Transmissionselektronenmikroskop. Bei niedrigem Sauerstoffgehalt fanden sich besonders viele längliche, geschossförmige Teilchen. In sauerstoffreichem Tiefenwasser überwogen dagegen kompakte, annähernd würfel- oder oktaederförmige Kristalle. Auch ihre magnetischen Eigenschaften unterschieden sich entsprechend.
Entscheidend ist, dass die unterschiedlichen Kristallformen nicht bloß einzelne Fundorte kennzeichnen. Ihr Anteil veränderte sich über die untersuchten Meeresbecken hinweg systematisch mit der Sauerstoffkonzentration. Temperatur und Salzgehalt zeigten dagegen keinen vergleichbaren Zusammenhang mit dem untersuchten magnetischen Signal.
Aus der Magnetisierung der Sedimente leitete das Team den relativen Anteil verschiedener Bakterienkristalle ab. Zwischen diesem magnetischen Kennwert und dem Sauerstoffgehalt des Tiefenwassers ergab sich ein deutlicher linearer Zusammenhang. Die entsprechende Kalibrierung gilt für Konzentrationen zwischen null und 190 Mikromol Sauerstoff pro Kilogramm Meerwasser.
Der statistische Zusammenhang erreichte ein Bestimmtheitsmaß von R² = 0,86. Bei der Überprüfung der Schätzformel lag die typische Abweichung bei rund 21 Mikromol pro Kilogramm. Eine zweite, auf der unter dem Mikroskop bestimmten Kristallform beruhende Kalibrierung erfasste mit zusätzlichen Vergleichsdaten sogar den Bereich bis 230 Mikromol pro Kilogramm.
Die Messung magnetischer Eigenschaften benötigt nach Angaben der Forscher etwa 20 Minuten pro Probe und zerstört das Material nicht. Dadurch könnten auch längere Sedimentfolgen vergleichsweise rasch untersucht werden. Die Kristallanalysen mit dem Elektronenmikroskop bleiben jedoch wichtig, um die magnetischen Signale zuverlässig einzuordnen.