25. Feb. 2019
Blick auf den Grand Canyon, USA, mit Christian Hallmann und Kollegen im Vordergrund.

Blick auf den Grand Canyon, USA, mit Christian Hallmann und Kollegen im Vordergrund.

Erst räuberisches Plankton machte den Weg für die Pflanzen und Tiere frei. So schreibt es eine Gruppe von Biogeochemikern in „Nature Communications“. Danach hatten nach dem Ende der jüngsten Schneeballepoche vor 635 Millionen Jahren die Cyanobakterien schon zur erneuten Herrschaft über die Ökosysteme in den Weltmeeren angesetzt. Ihr Versuch wurde jedoch umgehend von einzelligem räuberischem Plankton vereitelt, die damit den Mikroalgen zum Durchbruch verhalfen. Und erst sie bildeten die Basis der Ökosysteme, in denen sich schließlich komplexe Lebewesen entwickeln konnten.

Es war wohl einer der stärksten Klimaumschwünge der Erdgeschichte, als vor 635 Millionen Jahre die Erde aus ihrer Schneeballphase erwachte und die Grundlagen für den Siegeszug des höheren Lebens gelegt wurden. Die Gletscher der Marinoischen Eiszeit, die je nach Ansicht weite Teile der Erdoberfläche oder sogar den gesamten Globus bedeckt hatten, schmolzen wie der buchstäbliche Schnee an der Sonne und die Temperaturen an der Meeresoberfläche schossen schlagartig in die Höhe. Davon profitierten allerdings zunächst vor allem die Cyanobakterien, die die Erde in den "Boring Billion" beherrscht hatten, dem gut eine Milliarde Jahre währenden Zeitraum zuvor, in dem sich das Leben scheinbar kaum weiterentwickelte. "Die Umweltbedingungen waren nach dem Ende der Eiszeit genau richtig, um den Cyanobakterien ein Comeback zu erlauben", berichtet Christian Hallmann, Leiter der Forschungsgruppe Organische Paläobiogeochemie am Max-Planck-Institut für Biogeochemie.

Lennart von Maldegem an der Stelle, an der die Arbeitsgruppe Proben nahm.

Lennart von Maldegem an der Stelle, an der die Arbeitsgruppe Proben nahm.

Bild: Pierre Sanjofre
Christian Hallmann, Max-Planck-Institut für Biogeochemie, bei der Probennahme im Grand Canyon.

Christian Hallmann, Max-Planck-Institut für Biogeochemie, bei der Probennahme im Grand Canyon.

Bild: Lennart van Maldegem
Erfolgreiche Probennahme im Grand Canyon und eine spektakuläre Aussicht als Dreingabe.

Erfolgreiche Probennahme im Grand Canyon und eine spektakuläre Aussicht als Dreingabe.

Bild: Paul Strother
Christian Hallmann mit Pierre Sansjofre bei der Probennahme.

Christian Hallmann mit Pierre Sansjofre bei der Probennahme.

Bild: Lennart van Maldegem
Zeitstrahl der Evolution.

Zeitstrahl der Evolution.

Bild: Christian Hallmann
Expedition auf dem Nankoweap Trail im Grand Canyon, USA.

Expedition auf dem Nankoweap Trail im Grand Canyon, USA.

Bild: Christian Hallmann
Hart am Abhang auf dem Weg zu den Proben im Grand Canyon.

Hart am Abhang auf dem Weg zu den Proben im Grand Canyon.

Bild: Christian Hallmann
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Lennart von Maldegem an der Stelle, an der die Arbeitsgruppe Proben nahm.

Bild: Pierre Sanjofre

Christian Hallmann, Max-Planck-Institut für Biogeochemie, bei der Probennahme im Grand Canyon.

Bild: Lennart van Maldegem

Erfolgreiche Probennahme im Grand Canyon und eine spektakuläre Aussicht als Dreingabe.

Bild: Paul Strother

Christian Hallmann mit Pierre Sansjofre bei der Probennahme.

Bild: Lennart van Maldegem

Zeitstrahl der Evolution.

Bild: Christian Hallmann

Expedition auf dem Nankoweap Trail im Grand Canyon, USA.

Bild: Christian Hallmann

Hart am Abhang auf dem Weg zu den Proben im Grand Canyon.

Bild: Christian Hallmann

Zusammen mit seinem Doktoranden Lennart van Maldegem und einem internationalen Team von Wissenschaftlern hat Hallmann im Kalkstein der brasilianischen Araras-Formation und in den Sedimenten der Chuar-Gruppe im US-amerikanischen Grand Canyon Hinweise darauf gefunden, wie die Vorherrschaft der Bakterien schließlich doch gebrochen und das Zeitalter der höheren Lebewesen mit Zellkern eingeläutet werden konnte. Zu diesen Eukaryoten gehören von einzelligen Algen bis zum Menschen die meisten der heute bekannten Lebensformen. "Die Bohrkerne aus der Araras-Gruppe haben uns gezeigt, wie sich das Leben direkt nach dem Ende der Schneeball-Phase der Erde erholte", sagt van Maldegem, der inzwischen an der Australischen Nationaluniversität in Canberra arbeitet.

Erholung der Cyanobakterien wurde vereitelt

Danach haben sich als erstes tatsächlich die Cyanobakterien erholt und zu einer Neuauflage des von ihnen dominierten Ökosystems angesetzt, wie es vor der Schneeballphase der Erde existierte. Dann allerdings hätten andere Akteure das Spiel übernommen und die Dominanz der Cyanobakterien gestürzt. Räuberische einzellige Eukaryoten beendeten deren kurzlebige Herrschaft, ebneten dadurch den einzelligen Algen den Weg zu den dominanten Primärproduzenten in den Ozeanen und legten so den Grundstein für die heutige Welt mit ihrer enormen Artenvielfalt bei ein- und vielzelligen Lebewesen.

Die Spuren, auf die sich van Maldegem, Hallmann und ihre Kollegen stützen, sind noch nicht einmal unter dem Mikroskop erkennbar, denn es handelt sich um sogenannte Biomarker, fettige Moleküle, die von den Zellmembranen und -wänden der damaligen Lebewesen übrig blieben. Aus diesen Überresten kann man in vielen Fällen ablesen, welche Lebewesen in der fraglichen Epoche dominierten. Im Fall des tauenden Schneeballs Erde war es ein bisher unbekanntes Molekül, das auf räuberisches Plankton hinwies. "Es kann zwar möglicherweise auch mit anderen Organismen in Verbindung gebracht werden, aber in der Erdgeschichte haben wir strukturell nah verwandte Moleküle immer dann in Mengen von Bedeutung gefunden, wenn es mit diesem Plankton verbunden war", so van Maldegem. Gesucht hatten die Forscher nicht unbedingt nach dem Molekül und die Mengen, die sie schließlich für seine Bestimmung verwendeten, messen sich in Tausendstel eines Gramms.

Brasilianische Kalksteine mit raren Lebensspuren

Dass sie überhaupt fündig wurden, ist schon eine kleine Sensation. Aus so frühen Zeiten der Erde gibt es nicht mehr allzu viele Gesteine, und von denen sind die meisten für die Suche nach Biomarkern unbrauchbar. "Sie sind zu tief in die Erde gesunken und wurden dadurch so stark aufgeheizt, dass alle organischen Moleküle zerstört wurden", berichtet Christian Hallmann. Die Gesteine im Südwesten Brasiliens scheinen dagegen die ganzen 635 Millionen Jahre seit dem Ende der Schneeballperiode wie Korken auf dem Wasser an der Erdoberfläche geblieben zu sein. "Sie sind nur minimal gesunken und waren nie höheren Temperaturen als, sagen wir, etwa 100 Grad ausgesetzt", so Hallmann. Das macht die brasilianische Formation einzigartig. "Es ist der einzige Ort, den wir bislang kennen, an dem sich die Biomarker aus der Zeit unmittelbar nach der Marinoischen Vereisung erhalten haben", ergänzt Lennart van Maldegem.

Stark vereinfacht gibt es bei der Frage, wie das heutige komplexe Leben entstand, zwei wichtige Übergänge, den von Bakterien zu Eukaryoten und den von simplen zu komplexen mehrzelligen Organismen. "Die Relevanz für unser Erdsystem liegt allerdings nicht im ersten Auftreten, sondern in der Frage, wann bestimmte Organismen sich so verbreiteten, dass sie ökologisch relevant wurden", erklärt Christian Hallmann. Den Übergang zu global relevanten eukaryontischen Algen glauben er und seine Kollegen in den Kalksteinen der Araras-Formation erfasst und mit ihrem Modell schlüssig erklärt zu haben. Neben Zustimmung haben sie damit auch Kritik geerntet. "Bloß weil ein Molekül heute von einer bestimmten Organismengruppe stammt, heißt das nicht, dass es damals auch nur eine Ursprungsgruppe gab", betont zum Beispiel Nick Butterfield, Professor für Paläobiologie an der Universität Cambridge, "außerdem sollten wir sehr vorsichtig sein, aus einem lokalen geochemischen Signal weitreichende Schlüsse für die gesamte Biosphäre zu ziehen."

Nicht unumstrittenes Modell

Butterfield gehört nicht zur Arbeitsgruppe um Christian Hallmann, ist allerdings einer der einflußreichsten Wissenschaftler auf diesem Gebiet und hat ein Konkurrenzmodell zu dem planktongetriebenen von Hallmann und seinen Kollegen entwickelt. Danach haben nicht einzellige Räuber den Cyanobakterien die Herrschaft entrissen, sondern die Schwämme, vielzellige Tiere, die geradezu meisterhaft fressbare Partikel, also auch Cyanobakterien, aus dem Wasser filtern. "Was  die meisten meiner Geochemiker-Kollegen nicht verstehen, ist der machtvolle Einfluss, den Tiere auf die Funktionsweise von Meeresökosystemen ausüben", so Butterfield. Das treffe eben auf die Filterfähigkeiten von Tieren wie den Schwämmen zu, dagegen sei es "nicht offenkundig, dass einzelliges Plankton tatsächlich die Fähigkeit besitzt, von Cyanobakterien dominierte Ökosysteme zu kippen". Hallmann hingegen kontert, dass die ältesten Schwamm-Fossilien aus dem Kambrium stammten, also erst knapp 100 Millionen Jahre nach dem Ende der Schneeballepoche. Es gebe zwar ältere Biomarker, es sei aber stark umstritten, ob diese wirklich eindeutig auf Schwämme hinwiesen. "Wir haben sogar Hinweise, dass diese alten Schwamm-Moleküle auch von dem räuberischem Plankton biosynthetisiert werden können", so Hallmann. Die Frage, ob Schwämme zum Ende der Marinoischen Vereisung bereits ökologisch relevant waren, müsse daher erst mit Sicherheit geklärt werden.

Die Diskussion über den Übergang von bakteriendominierten Ökosystemen zu solchen, die auf Algen basieren, wird daher noch lange andauern. Das umso mehr als die geologische Überlieferung spärlich ist. "Das Problem ist, dass wir vor der Kambrischen Artenexplosion der Tiere praktisch keine fossile Überlieferung haben", so Lennart van Maldegem, "da sind die Biomarker eine der besten Möglichkeiten, uns die Zusammenstellung der Ökosysteme von damals anzusehen." Umso wichtiger wird dann die Frage, Biomarker absolut eindeutig einer Organismengruppe zuzuordnen. In Hallmanns Arbeitsgruppe und im ANU-Labor von Jochen Brocks, wo van Maldegem jetzt als PostDoc arbeitet, konzentriert man sich vermehrt genau darauf.