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Massenaussterben auf der Erde teilen ein gemeinsames Muster
Das Erdklima wechselte in den vergangenen 539 Millionen Jahren offenbar zwischen nur fünf langlebigen Klima-Kohlenstoff-Regimen. Eine neue Analyse zeigt, dass die Biosphäre besonders verletzlich war, wenn das Erdsystem von einem solchen Zustand in einen anderen überging. Diese Übergänge gelten dabei nicht als direkte Ursache der Massenaussterben, sondern als möglicher Hintergrund erhöhter biologischer Anfälligkeit.
Milton Keynes (England). Die großen Massenaussterben der Erdgeschichte werden meist mit unmittelbaren Auslösern wie starkem Vulkanismus, rascher Erwärmung, Sauerstoffmangel in den Meeren oder Asteroideneinschlägen verknüpft, obwohl ähnliche Störungen zu verschiedenen Zeiten sehr unterschiedliche biologische Folgen hatten. Deshalb stellt sich die Frage, ob auch der langfristige Zustand von Klima und Kohlenstoffkreislauf beeinflussen könnte, wie empfindlich die Lebenswelt auf solche Krisen reagiert.
Ein Forscherteam um Dr. Ivan Sudakow von The Open University (OU) hat dafür Klima- und Biodiversitätsdaten des gesamten Phanerozoikums untersucht, also der vergangenen 539 Millionen Jahre. Die Wissenschaftler kombinierten lange Zeitreihen stabiler Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope mit Rekonstruktionen von Temperatur und atmosphärischem Kohlendioxid sowie Daten zur Vielfalt, Entstehung und zum Aussterben mariner Tiergattungen.
Mit Rekurrenzanalysen suchte das Team nach wiederkehrenden Mustern in den Isotopendaten, während ergänzende Frühwarnindikatoren Phasen erfassen sollten, in denen sich die Dynamik des Erdsystems vor einem größeren Übergang veränderte. Ein vereinfachtes Klima-Kohlenstoff-Modell diente anschließend dazu, die beobachteten Zustände als mehrere mögliche, relativ stabile Gleichgewichte zu deuten.
Die Analysen teilen das Phanerozoikum in fünf langlebige Regime, deren Grenzen ungefähr bei 447, 358, 239 und 57 Millionen Jahren vor heute liegen. Einige dieser Zustände hielten damit Dutzende bis weit über hundert Millionen Jahre an, bevor sich Klima und Kohlenstoffkreislauf in einen anderen langfristigen Zustand verschoben.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Klima und der Kohlenstoffkreislauf der Erde über sehr lange Zeiträume in einer kleinen Zahl relativ beständiger Zustände verharrten. Die Übergänge zwischen diesen Zuständen waren zugleich Phasen, in denen die Biosphäre offenbar besonders verwundbar war“, sagt Dr. Ivan Sudakow.
Für die Rekurrenz- und Frühwarnanalysen brachten die Forscher die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenreihen auf ein gemeinsames Raster mit Abständen von 0,472 Millionen Jahren. Die zusätzlichen CO₂-Rekonstruktionen reichen dagegen nur etwa 420 Millionen Jahre zurück. Deshalb ließ sich der Zusammenhang von Oberflächentemperatur und Kohlendioxid im Modell nur für die vier jüngeren Regime rekonstruieren.
Entscheidend war für die Forscher nicht allein die Aussterberate, denn ihr Verwundbarkeitsindex verbindet den gesamten Austausch von Tiergattungen, also Aussterben und Neuentstehung, mit der jeweils vorhandenen globalen Vielfalt. Hoher Austausch bei vergleichsweise geringer Vielfalt entspricht in dieser Kennzahl einer stärker belasteten und potenziell anfälligeren Biosphäre.
Die Werte waren in der Nähe großer Übergänge zwischen den fünf Regimen systematisch erhöht. Auch die „Big Five“ genannten großen Massenaussterben fallen mit Spitzen des Verwundbarkeitsindex zusammen. Von den in der Studie berücksichtigten Phasen erhöhten Aussterbens war nur das vergleichsweise kleine Intervall im mittleren Pliozän nicht mit einem positiven Verwundbarkeitswert verbunden.
„Mit Rekurrenzanalysen, Frühwarnindikatoren kritischer Übergänge und einem mathematischen Modell von Klima und Kohlenstoffkreislauf haben wir fünf langfristige Megaklima-Regime identifiziert. Das Erdsystem blieb für Dutzende oder sogar Hunderte Millionen Jahre in diesen Zuständen, bevor es in einen anderen relativ stabilen Zustand überging“, erklärt Prof. Andrej Spiridonov von Vilnius University (VU).