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Hat verwitterndes Vulkangestein vor 540 Millionen Jahren einen Artenboom ausgelöst?
Urzeit-Rätsel: Was ließ die Tierwelt vor rund 540 Millionen Jahren plötzlich vielfältiger werden? Isotopenspuren in chinesischen Meeresgesteinen deuten darauf hin, dass rasch verwitternde Vulkangebirge zusätzliche Nährstoffe in die Ozeane brachten. Dies könnte das Wachstum von Algen, die Bindung von Kohlenstoff und die Sauerstoffzunahme gefördert und so die Entwicklung komplexer Tiere begünstigt haben.
Guangzhou (China). Vor etwa 540 Millionen Jahren nahm die Vielfalt tierischer Lebensformen in den Ozeanen deutlich zu. Während der sogenannten kambrischen Explosion entstanden zahlreiche neue Körperbaupläne, später kamen größere Tiere mit harten Skeletten hinzu.
Eine zentrale Voraussetzung könnte ein größerer Vorrat an Nährstoffen und Sauerstoff gewesen sein. Unklar ist jedoch, welche Vorgänge auf den Kontinenten die Chemie der damaligen Ozeane veränderten. Besonders die zeitliche Lücke zwischen älteren Gebirgsbildungen und dem biologischen Wandel gab bisher Rätsel auf.
Forscher des Guangzhou Institute of Geochemistry (GIG) um Hui Tian haben dazu Sedimentgesteine aus zwei Bohrkernen des südchinesischen Jangtse-Blocks untersucht. Ihr Augenmerk galt den Isotopen von Lithium und Osmium, also Varianten dieser Elemente mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Zusammen mit bereits veröffentlichten Strontium-Daten erlauben sie Rückschlüsse auf die Verwitterung an Land und die Herkunft der Stoffe zu, die ins Meer gelangten.
Die Messreihen zeigen zwischen etwa 540 und 525 Millionen Jahren auffällige Verschiebungen der Isotopenverhältnisse. Das Team interpretiert diese Kombination als Zeichen dafür, dass damals besonders viel junges, aus dem Erdmantel stammendes Gestein abgetragen wurde. Ein Modellvergleich spricht eher für diese Verwitterung als für einen verstärkten Eintrag aus heißen Quellen am Meeresboden.
Ein möglicher Auslöser lag an den Rändern des Urkontinents Gondwana, wo ozeanische Platten unter kontinentale Kruste abtauchten. Dabei entstanden vulkanische Gebirgsgürtel, während sich die Erdkruste hob und vulkanische Gase möglicherweise zur Erwärmung des Klimas beitrugen. Frisch freigelegtes Gestein konnte unter solchen Bedingungen besonders schnell verwittern.
Das wäre für die damaligen Meere bedeutsam gewesen: Junge, aus dem Erdmantel hervorgegangene Gesteine enthalten nach den herangezogenen Vergleichsdaten mehr Phosphor als typische Granite. Der Nährstoff könnte deshalb in größeren Mengen mit Flüssen ins Meer gelangt sein. Eine Abschätzung ergibt bei den angenommenen Verwitterungsraten einen fast viermal so hohen Phosphoreintrag wie aus der granitischen Ausgangskruste. Das ist ein Modellwert und keine direkte Messung des weltweiten Nährstoffflusses.
Phosphor kann das Wachstum von Meeresorganismen begrenzen. Falls damals mehr davon verfügbar war, könnte die Produktion von organischer Substanz und damit auch deren Ablagerung am Meeresgrund zugenommen haben. Wird organischer Kohlenstoff dauerhaft in Sedimenten begraben, kann sich auf lange Sicht mehr Sauerstoff in der Umwelt anreichern.
Diese Abfolge passt zeitlich zum Auftreten kleiner Tiere mit harten Schalen im frühen Kambrium. Außerdem deuten die Isotopendaten für den Zeitraum von etwa 525 bis 515 Millionen Jahren auf einen Wandel hin: Statt der raschen Auflösung frischer Vulkangesteine überwog demnach die Verwitterung älterer Kontinentalkruste unter Bildung von Tonmineralen. Solche Tone könnten zusätzlich organisches Material gebunden und seine langfristige Ablagerung begünstigt haben.
Damit ergibt sich ein dreistufiges Szenario von Gebirgshebung über Nährstoffeintrag bis zu verstärkter Kohlenstoffbindung. Es könnte erklären, warum tektonische Prozesse und die Entfaltung der frühen Tierwelt zeitlich zusammenfielen. Doch eine direkte Ursache-Wirkungs-Beziehung ist aus den Isotopendaten allein nicht abzuleiten.