Seasonal dynamics during the Paleocene–Eocene Thermal Maximum in Norwegian Sea diatomites

Tief im Ozean, weit unterhalb der Reichweite des Sonnenlichts, fungiert der Meeresboden als ein Archiv in Zeitlupe. Über Jahrtausende hinweg lagern sich Schichten aus Schlamm und mikroskopisch kleinen Schalen eine auf die andere, wodurch eine Aufzeichnung des Klimas und des Lebens über ihnen festgehalten wird. Normalerweise sind diese Schichten so dick und miteinander vermischt, dass Wissenschaftler nur Veränderungen sehen können, die sich über hunderte oder sogar tausende von Jahren vollzogen haben. Es ist, als versuche man, ein Buch zu lesen, bei dem ganze Kapitel zusammengeklebt wurden; man kann die grobe Geschichte erkennen, aber die spezifischen Details des täglichen Lebens sind verloren gegangen. Diese Einschränkung hat es schwierig gemacht, zu verstehen, wie marine Ökosysteme auf plötzliche, extreme Hitzeereignisse in der Erdgeschichte reagierten. Ein solches Ereignis, bekannt als das Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum, ereignete sich vor etwa 56 Millionen Jahren. Während dieser Zeit erwärmte sich der Planet rapide, als massive Mengen an Kohlenstoff in die Atmosphäre gelangten, was die Ozeane in eine Treibhausumgebung verwandelte. Während wir wissen, dass der Planet heißer wurde, hatten wir Schwierigkeiten zu verstehen, wie die winzigen Organismen, die die Basis des marinen Nahrungsnetzes bilden, auf diese Veränderungen auf saisonaler Ebene reagierten. Blühten sie im Frühling auf und starben im Winter, genau wie sie es heute tun? Oder löschte die extreme Hitze die Jahreszeiten vollständig aus?

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Heather Furlong und Reed Scherer hat einen Weg gefunden, das Kleingedruckte dieser alten Geschichte zu lesen. Sie untersuchten einen Sedimentkern, der vom Boden des Norwegischen Meeres gebohrt wurde – ein Ort, der einst ein hochgelegenes marines Milieu war, das von aktiver Vulkanik und hydrothermaler Aktivität beeinflusst wurde. Dieser spezifische Abschnitt des Meeresbodens ist besonders, da er eine seltene Art von Gestein namens Diatomit enthält, das fast ausschließlich aus den fossilen Schalen von Diatomeen besteht – winzigen, einzelligen Algen mit glasartigen Wänden. Im Gegensatz zu den schlammigen Schichten, die anderswo zu finden sind, sind diese Sedimente in unglaublich dünnen, deutlichen Schichten erhalten, wie die Seiten eines Buches, die niemals zusammengeklebt wurden. Durch die Untersuchung dieser Schichten unter leistungsstarken Mikroskopen konnten die Forscher die verschiedenen Arten von Diatomeen in jeder Schicht zählen und identifizieren, was ein sich immer wieder wiederholendes Muster enthüllte.

Die Studie konzentrierte sich auf einen Abschnitt des Kerns, der genau zu Beginn des extremen Erwärmungsereignisses abgelagert wurde. Die Forscher fanden mehr als 30 deutliche Zyklen von Schichten, von denen jede die Geschichte eines einzelnen Jahres erzählt. In jedem Zyklus veränderten sich die Schichten in einer vorhersehbaren Reihenfolge. Die erste und dickste Schicht war vollgestopft mit einer spezifischen Art von Diatomee namens Hemiaulus. Diese Organismen sind dafür bekannt, lange Ketten zu bilden und gedeihen, wenn das Wasser reich an Nährstoffen und gut durchmischt ist. Die Forscher interpretieren diese dicken Schichten als Beleg für eine massive Frühjahrsblüte, eine Zeit, in der heftige Regenfälle und Abflüsse vom Land frische Nährstoffe in den Ozean brachten und so eine schnelle Explosion des Lebens auslösten.

Auf diese dicken Frühjahrsschichten folgten dünnere, intermediäre Schichten, die von einer anderen Gruppe von Diatomeen dominiert wurden, einschließlich Gattungen wie Sceptroneis und Synedropsis. Diese Arten von Algen findet man oft angeheftet an schwimmende Pflanzen oder andere Oberflächen in ruhigem, geschichtetem Wasser, in dem die Nährstoffe knapp sind. Dies deutet darauf hin, dass das Meer nach der Frühjahrsblüte stabil und warm wurde, was das Wasser in Schichten einschloss, die sich nicht mehr mischten. Die Nährstoffe wurden aufgebraucht, und die verbleibenden Algen passten sich einem Leben an der Oberfläche an, indem sie sich vielleicht an schwimmendem Seetang festhielten. Schließlich enthielten die dünnsten Schichten in jedem Zyklus eine ungeordnete Mischung aus verschiedenen Algentypen und Teilen von Landmaterial. Diese Schichten repräsentieren die Herbst- und Wintermonate, in denen das Wasser abkühlte, die Durchmischung zurückkehrte und die allgemeine Produktivität des Ozeans abnahm.

Die Entdeckung ist bedeutend, weil sie beweist, dass selbst während einer Zeit extremer globaler Wärme die hochgelegenen Ozeane des Norwegischen Meeres immer noch einem strengen saisonalen Rhythmus folgten. Die Umgebung wurde nicht zu einem stagnierenden, ganzjährigen Sommer; stattdessen erlebte sie einen dramatischen Zyklus aus heftigen Regenfällen und Nährstoffzufuhr im Frühling, gefolgt von einem ruhigen, nährstoffarmen Sommer und einem stilleren Winter. Dieser Befund stellt die Vorstellung infrage, dass extreme Treibhausklimate die saisonalen Variationen im Ozean ausgelöscht haben könnten. Stattdessen legt er nahe, dass die Kräfte, die die Jahreszeiten antreiben – Sonnenlicht, Regen und die Durchmischung des Wassers – stark genug blieben, um das Ökosystem zu strukturieren, selbst als der Planet sich aufheizte.

Durch die Auflösung dieser winzigen, jährlichen Zyklen haben die Forscher einen seltenen Einblick darin gewonnen, wie der Motor des Ozeans während eines der dramatischsten Klimawandel der Erdgeschichte funktionierte. Das Sediment aus dem Norwegischen Meer dient als hochauflösendes Fenster, das zeigt, dass der Lebenspuls des antiken Ozeans von denselben saisonalen Takten angetrieben wurde, die auch heute die Ozeane bestimmen. Diese Arbeit liefert ein entscheidendes Puzzleteil für Klimamodelle und hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie marine Ökosysteme auf die rasanten Veränderungen der Treibhausgase reagieren könnten, die wir derzeit beobachten. Sie bestätigt, dass sich das Klima zwar drastisch ändern kann, der grundlegende Rhythmus der Jahreszeiten das Leben in der Tiefe jedoch weiterhin prägt.