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Überleben auf der Schneeball-Erde

21.09.2017

Globale Vereisung verschaffte Grünalgen vor über 600 Millionen Jahren einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil

Grünalgen bilden das Fundament der Nahrungspyramide auf der Erde und liefern vielen Organismen lebensnotwendige Nährstoffe. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena und vom Marum, Universität Bremen, haben nun gemeinsam mit Kollegen aus anderen Ländern herausgefunden, dass die Algen diese ökologische Bedeutung erst seit dem Ende einer globalen Vereisungsphase vor 635 Millionen Jahren besitzen.


Grünalgen auf der Oberfläche eines Teichs. Dank neuer Fettmoleküle in ihrer Zellmembran konnten sich die Vorgänger dieser Zellen vor über 600 Millionen Jahren massiv ausbreiten.

© dpa

Quelle: Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena

Den Forschern zufolge haben neuartige Fettmoleküle den Grünalgen einen Überlebensvorteil verschafft. Damit konnten sie starken Temperaturschwankungen besser trotzen, denen sie in ihren damaligen Lebensräumen ausgesetzt waren.

Vor 635 Millionen Jahren neigte sich die wahrscheinlich größte und längste Eiszeit der Erdgeschichte dem Ende zu. Zuvor hatten zwei dicht aufeinanderfolgende Kälteperioden den gesamten Globus 85 Millionen Jahre lang fest im Griff. Grünalgen gab es damals möglicherweise schon seit fast einer Milliarde Jahren. Doch vor der großen Vereisung spielten sie für die Entwicklung des Lebens und die Kreisläufe lebenswichtiger Stoffe kaum eine Rolle. Dies änderte sich erst mit dem Ende der Schneeball-Erde.

Aber was beförderte den Aufstieg der zuvor unbedeutenden Grünalgen? Für Hallmann und seine Kollegen liegt der Schlüssel zur Antwort möglicherweise in den sogenannten Stigmasteroiden der Grünalgen. Diese dem Cholesterin verwandten Fettmoleküle sind charakteristisch für Grünalgen und finden sich ausschließlich erst in Gesteinsproben, die jünger als 635 Millionen Jahre alt sind. Stigmasteroide sind Steroide, die 29 Kohlenstoff-Atome enthalten – zum Vergleich: Das bekannte Cholesterin besitzt 27 Kohlenstoff-Atome.

Die Wissenschaftler analysierten Gesteinsproben aus allen Teilen der Erde, die vor, während und nach der großen Vereisung abgelagert worden waren. Das Ergebnis: In Gesteinsproben der späten Eiszeit und der folgenden eisfreien Zeit sind C-29-Steroide durchgängig am häufigsten vertreten. Proben davor enthalten dagegen gar keine Stigmasteroide. „Egal, ob in den Tropen oder an den Polen, ob in Süßwasser- oder Meeressedimenten – wir finden sie davor einfach nicht“, erklärt Yosuke Hoshino, der Erst-Autor der neuen Studie.

Etwas müssen die längeren Fettmoleküle also an sich haben, dass sie innerhalb relativ kurzer Zeit einen wahren Siegeszug angetreten haben und seither von Zellen auf dem ganzen Globus verwendet werden. Frühere Laborexperimente anderer Wissenschaftler brachten Hallmann und sein Team dann auf die richtige Spur: Wenn Zellen diese langen Moleküle in ihre Zellmembran einbauen, werden sie widerstandsfähiger gegenüber Temperaturschwankungen.

Und solche gab es auch während der Millionen Jahre langen völligen Vereisung der Erde. Einer Modellstudie zufolge bilden sich selbst bei einer derart langen Vereisung auf den Landflächen eisfreie Bereiche. Dort verwitterte das Gestein zu Staub, wurde vom Wind weggetragen und sammelte sich an anderen Stellen wieder an. Durch die Sonneneinstrahlung erwärmte sich der dunkle Gesteinsstaub schneller als das helle Eis, und an manchem Stellen schmolzen kleine Löcher in die Gletscher. „Oasen, in denen sich wahrscheinlich viele Organismen sammelten – die aber auch großen Temperaturschwankungen ausgesetzt waren“, erklärt Hallmann.

Die neuen Ergebnisse fügen sich zu einem schlüssigen Bild eines wichtigen Abschnitts in der Frühzeit der Evolution: Zunächst gelang es einigen wenigen Grünalgen-Zellen dank zufälliger Mutationen neue, längere Steroide zu produzieren. Sie konnten dadurch den großen Temperaturunterschieden in den Gletscherteichen besser trotzen als ihre Mitbewohner und vermehrten sich schneller. Von nun an dominierten sie für viele Jahrmillionen die Weltmeere.

Originalveröffentlichung:
Cryogenian evolution of stigmasteroid biosynthesis
Y. Hoshino, A. Poshibaeva, W. Meredith, C. Snape, V. Poshibaev, G.J.M. Versteegh, N. Kuznetsov, A. Leider, L. van Maldegem, M. Neumann, S. Naeher, M. Moczydłowska, J.J. Brocks, A.J.M. Jarrett, Q. Tang, S. Xiao, D. McKirdy, S. Das, J. Alvaro, P. Sansjofre, C. Hallmann
Science Advances online; 20 September, 2017

Kontakt:
Dr. Christian Hallmann
Max-Planck-Forschungsgruppenleiter Universität Bremen
Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
Marum – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen
Telefon:+49 4212 186-5820
E-Mail: challmann@bgc-jena.mpg.de

Dr. Eberhard Fritz
Research Coordinator, Head Public Relations
Max-Planck-Institute for Biogeochemistry
Tel.: + 49 (0) 36 41 - 57 68 00

Dr. Christian Hallmann, Max-Planck-Forschungsgruppenleiter Universität Bremen | Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

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