Dennis Lenz
Das Perm-Trias-Massenaussterben vor rund 252 Millionen Jahren gilt als das schwerste Aussterbeereignis der Erdgeschichte und löschte etwa 96 Prozent aller Meeresarten aus. Lange galt die Versauerung der Ozeane als treibende Kraft hinter diesem Kollaps. Neue Experimente eines Forschungsteams der Stanford University rücken nun einen anderen Auslöser in den Vordergrund und erklären erstmals schlüssig, warum manche Tiergruppen fast vollständig verschwanden, während andere überlebten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die entscheidende Ursache auch für die heutigen Meere von unmittelbarer Bedeutung ist.
In der Geschichte der Erde haben sich mehrere globale Krisen ereignet, in denen ein Großteil der damaligen Lebewesen innerhalb geologisch kurzer Zeiträume verschwand. Solche Ereignisse werden als Massenaussterben bezeichnet und markieren tiefe Einschnitte in der Entwicklung des Lebens. Das folgenschwerste dieser Ereignisse fand am Übergang vom Perm zur Trias vor etwa 252 Millionen Jahren statt und wird wegen seines Ausmaßes auch als Großes Sterben bezeichnet. Damals verschwanden nach heutigem Kenntnisstand rund 96 Prozent aller im Meer lebenden Arten und etwa 70 Prozent der Landtiere. Ausgelöst wurde die Katastrophe durch eine Phase extremer vulkanischer Aktivität in den Sibirischen Trapps, bei der über Jahrtausende gewaltige Mengen an Kohlenstoffdioxid und Methan in die Atmosphäre gelangten. Diese Freisetzung veränderte das Klima und die chemischen Bedingungen der Ozeane grundlegend und leitete den Zusammenbruch ganzer Ökosysteme ein.
Wissenschaftlich umstritten war lange, welcher konkrete Mechanismus in diesem Zusammenspiel den Tod so vieler Arten letztlich besiegelte. Diskutiert wurden vor allem drei eng verknüpfte Stressfaktoren, die aus dem raschen Anstieg des atmosphärischen Kohlenstoffdioxids folgten: die Erwärmung des Meerwassers, der großflächige Verlust von gelöstem Sauerstoff und eine zunehmende Ozeanversauerung, deren Rolle Forscher bereits mehrfach untersucht haben. Alle drei Prozesse traten zeitgleich auf und wirkten auf die marinen Ökosysteme, weshalb sich ihr jeweiliger Anteil am Aussterben nur schwer trennen ließ. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die betroffenen Tiergruppen in ihrem Körperbau und in ihrem Stoffwechsel stark unterschieden. Wer die wahre Hauptursache verstehen will, muss deshalb nicht nur die geochemischen Spuren im Gestein deuten, sondern auch die biologische Belastbarkeit der einzelnen Organismen berücksichtigen. Genau an dieser Schnittstelle zwischen Geochemie und Physiologie setzt die neue Untersuchung an.
Ein Team um den Geobiologen Erik Anders Sperling von der Stanford University hat die Ursache des Großen Sterbens erneut untersucht und dabei einen Aspekt in den Mittelpunkt gestellt, der in früheren Analysen kaum berücksichtigt wurde. Frühere Modelle stützten sich vor allem auf physiologische Daten heute lebender Meerestiere und überrepräsentierten dabei wirtschaftlich bedeutende Fisch- und Krebsarten. Gerade jene Gruppen jedoch, die vor 252 Millionen Jahren besonders schwer getroffen wurden, blieben unterbelichtet. Die im Fachmagazin PNAS veröffentlichte Untersuchung schließt diese Lücke, indem sie gezielt Vertreter jener Faunen vergleicht, die die Ozeane vor und nach dem Aussterben dominierten. So lässt sich erstmals nicht nur erklären, wo das Aussterben besonders heftig ausfiel, sondern auch, warum bestimmte Tiergruppen nahezu vollständig verschwanden.
Besonders stark betroffen waren die muschelähnlichen Armfüßer, also Brachiopoden, sowie am Meeresboden festsitzende Lebensformen wie die Seelilien. Diese Gruppen hatten über rund 280 Millionen Jahre zu den beherrschenden Bodenbewohnern der Meere gehört und verschwanden beim Großen Sterben fast vollständig. Viele Weichtiere wie Muscheln und Schnecken überstanden die Krise dagegen und prägen seither gemeinsam mit Fischen sowie Stachelhäutern wie Seesternen und Seeigeln die marinen Lebensräume. Dieser auffällige Unterschied im Schicksal einzelner Gruppen bildet den Kern der Fragestellung. Denn ein Aussterbemechanismus, der als Hauptursache in Betracht kommt, muss erklären können, warum er einige Organismen tötete und andere weitgehend verschonte. Ein Blick auf den Körperbau und die Lebensweise der überlebenden und der ausgestorbenen Arten liefert dafür entscheidende Hinweise.
Der zentrale Unterschied zwischen den Verlierern und den Gewinnern des Großen Sterbens liegt nach den neuen Ergebnissen im Stoffwechsel, also in der Gesamtheit der chemischen Vorgänge, mit denen ein Organismus Energie gewinnt und sich am Leben hält. Im Paläozoikum, dem mit dem Perm-Trias-Massenaussterben endenden Erdzeitalter, lebte ein Großteil der Meerestiere unbeweglich am Boden und kam mit einem sehr langsamen Stoffwechsel aus. Die Tiergruppen, die das Aussterben überstanden, sind dagegen überwiegend beweglicher und verfügen über einen schnelleren Energieumsatz, etwa Fische, die aktiv Beute jagen. Selbst langsamere, aber noch bewegliche Arten wie Schnecken sind muskulöser und stoffwechselaktiver als die nahezu ausgelöschten Brachiopoden. Dieser körperliche Gegensatz erwies sich in der geochemisch veränderten Umwelt des ausgehenden Perm als überlebenswichtig.
Um diesen Zusammenhang zu prüfen, setzten die Forscher lebende Vertreter der verschiedenen Tiergruppen in eine Messkammer und beobachteten, wie sich ihr Sauerstoffverbrauch bei steigender Wassertemperatur veränderte. Mit zunehmender Wärme klettert die Stoffwechselrate, und damit steigt auch der Bedarf an Sauerstoff. Die Versuche zeigten, dass paläozoische Tierarten in sehr sauerstoffarmem Wasser überleben, in dem moderne Arten ersticken würden. Sobald die Temperatur jedoch anstieg, geriet ihr langsamer Stoffwechsel an Grenzen, und ihr Sauerstoffbedarf nahm deutlich rascher zu als bei den beweglicheren, modernen Formen. Aktivere Arten benötigen zwar grundsätzlich mehr Sauerstoff, besitzen aber eine höhere Toleranz gegenüber der Kombination aus Wärme und Sauerstoffknappheit. Sie konnten den zusätzlichen Bedarf bei einer Erwärmung des Meeres somit besser ausgleichen als die empfindlicheren Bodenbewohner.
Aus den Messungen ergibt sich ein klares Muster: Am stärksten traf das Aussterben jene Tiere, deren Stoffwechsel warmes und zugleich sauerstoffarmes Wasser am schlechtesten verkraftete. Genau diese Bedingungen herrschten vor 252 Millionen Jahren in weiten Teilen der Meere, weil der vulkanisch verursachte Anstieg des Kohlenstoffdioxids zu einer massiven Ozeanerwärmung und einem großflächigen Sauerstoffverlust führte. Damit rückt die Studie die Kombination aus Wärme und Sauerstoffmangel als entscheidende Antriebskraft in den Vordergrund, während die lange favorisierte Ozeanversauerung nach diesen Daten nicht der ausschlaggebende Faktor war. Ältere Arbeiten hatten das Aussterben oft darauf zurückgeführt, dass das Meerwasser durch die Reaktion mit atmosphärischem Kohlenstoffdioxid so sauer wurde, dass viele Arten keine Kalkschalen mehr bilden konnten. Die neuen physiologischen Befunde deuten dagegen auf einen anderen Kernmechanismus hin.
Für die Gegenwart sind diese Erkenntnisse deshalb von Bedeutung, weil die Ausgangslage vor dem Großen Sterben der heutigen in wichtigen Punkten ähnelte: ein vergleichsweise kühler, gut mit Sauerstoff versorgter Ozean, in den innerhalb kurzer Zeit große Mengen Kohlenstoffdioxid eingetragen wurden. Der gegenwärtige Klimawandel lässt die Meere erneut wärmer und sauerstoffärmer werden, sodass empfindliche Arten unter Druck geraten könnten. Die Forscher betonen zugleich, dass ihre Kammerversuche zunächst einzelne Belastungsgrößen abbilden und die drei Stressfaktoren Erwärmung, Versauerung und Sauerstoffmangel künftig gemeinsam untersucht werden sollen. Trotz der ernsten Parallelen verweisen sie darauf, dass sich die Entwicklung noch beeinflussen lässt, wenn die Kohlenstoffemissionen begrenzt werden. Das größte Massenaussterben der Erdgeschichte liefert damit weniger eine düstere Prognose als einen konkreten Anhaltspunkt dafür, wie Ökosysteme auf rasche Kohlenstoffeinträge reagieren.
Proceedings of the National Academy of Sciences, Differences in physiological tolerance to global warming caused the Permian–Triassic transition between the Paleozoic and Modern faunas; doi:10.1073/pnas.2533086123