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Massenaussterben: Das tödliche Trio des Klimawandels

Die Erde heizt sich auf und bedroht auch Tiere und Pflanzen. Ein Blick auf die Massenaussterben der Erdgeschichte verheißt wenig Gutes für die kommende Heißzeit.
Fossile Trilobiten
Die Überreste vergangener Massenaussterben finden sich in den Fossilienlagerstätten der Erde wie diese Trilobiten.

»Die Korallenriffe hat es bisher jedes Mal erwischt«, sagt Wolfgang Kießling von der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen. Der Paläo-Umweltforscher denkt dabei an Klimaveränderungen, die vor vielen Millionen Jahren mehr als einmal extrem viele Arten verschwinden ließen. Bei jedem dieser Massenaussterben waren die Korallen besonders stark betroffen. Auch heute fürchten viele Meeresbiologen, dass der Klimawandel sehr viele Arten und vor allem die Riffe schwer treffen oder sogar vernichten könnte.

Löschen die beim Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas frei werdenden riesigen Mengen des Treibhausgases Kohlendioxid also bald wieder extrem viele Tier- und Pflanzenspezies aus? »Ein solches Artensterben ist längst voll im Gang«, sagt Manuel Steinbauer von der Universität Bayreuth: »Nur wurde die Natur in den letzten Jahrzehnten nicht vom Klimawandel, sondern von einer Reihe anderer Effekte wie der Änderung der Landnutzung, der Überdüngung, von Pestiziden oder invasiven Arten in die Zange genommen.« Die Folgen bekämen zum Beispiel die Insekten zu spüren, die sich auf einem rasch absteigenden Ast befinden. »Auf diese Entwicklung kommt der Klimawandel jetzt noch obendrauf«, warnt Steinbauer.

Um abzuschätzen, was dieser Druck auf die Ökosysteme zukünftig bringen könnte, hilft ein Blick in die Vergangenheit, den Kießling betreibt: »252 Millionen Jahre ist es her, da schnellten die Temperaturen bei einem raschen Klimawandel auf der Erde um durchschnittlich mehr als zehn Grad Celsius in die Höhe«, fasst der Paläontologe den Auslöser für das wohl stärkste bisher bekannte Artensterben in der Erdgeschichte zusammen. Die Folgen waren verheerend: In den Meeren starben rund 85 Prozent aller Arten aus, an Land wurde die Vielfalt der Natur ebenfalls massiv gestutzt. Dieses Massenartensterben an der Grenze zwischen den Erdzeitaltern Perm und Trias aber war kein Einzelfall. Ähnliches wiederholte sich am Ende der Trias, als es vor 201 Millionen Jahren rasch bis zu acht Grad Celsius wärmer wurde und die Erde sich in ein Treibhaus verwandelte. Erneut verschwanden sehr viele Arten. Und wieder waren die Ozeane und dort die Korallenriffe besonders stark betroffen.

Tödliche Klimaschwankungen

Manchmal machten der Natur aber auch Veränderungen in die kältere Richtung schwer zu schaffen. Das passierte zum Beispiel im Ordovizium vor etwa 443 Millionen Jahren. Damals waren die meisten Kontinente zum Superkontinent »Gondwana« verschmolzen, der schließlich über den Südpol driftete. Ähnlich wie heute die Antarktis kühlte das Innere dieser Landmasse in den langen Winternächten stark aus. In einem Teil, der heute Nordafrika bildet, entwickelten sich Eiskappen, deren Spuren noch heute sichtbar sind.

Welche Mechanismen damals das Klima von Treib- zu Kühlhausbedingungen drehten, die erst nach einer halben Million Jahren dauerhaft endeten, wird in der Wissenschaft noch eifrig diskutiert. »Vielleicht hatten starke Vulkanausbrüche sehr viel Kohlendioxid in die Luft geblasen«, nennt Wolfgang Kießling einen plausiblen Mechanismus. Zwar heizen die riesigen Mengen von Treibhausgasen dem Klima mächtig ein, gleichzeitig bringen sie die Verwitterung der auf der Erde reichlich vorhandenen Silikatgesteine so richtig in Schwung. »Dieser Prozess holt dann sehr viel Kohlendioxid aus der Luft und lagert es als Kalk ab«, sagt der Erlanger Paläontologe. Als der Vulkanismus endete und damit der Treibhausgasnachschub ausblieb, ging die Verwitterung vorerst weiter. Am Boden wuchsen die Kalkschichten, in der Luft gab es immer weniger Treibhausgase. Dadurch sackten die Temperaturen in den Keller, und an den Polen bildeten sich Eiskappen. Sehr viele Arten von Muscheln, Stachelhäutern, Trilobiten und etlichen anderen Meeresorganismen überlebten diese massiven Klimaveränderungen nicht und starben aus.

Fossile Belemniten | Belemniten lebten in den Ozeanen von Jura und Trias und starben am Ende der Kreidezeit aus. Leitfossilien wie diese definieren auch Massenaussterbenereignisse.

Das nächste Massenaussterben am Ende des Devon-Erdzeitalters vor 372 Millionen Jahren geschah während einer massiven Klimaänderung. Lange Zeit war es stetig wärmer geworden, bis eine kräftige Abkühlung die Artenvielfalt drastisch verringerte. Bei diesem Ereignis werden die Ursachen ebenfalls noch eifrig diskutiert. »Möglicherweise spielten die Wälder eine wichtige Rolle, die damals gerade auf dem Land aufgetaucht waren«, sagt Wolfgang Kießling. An Stelle von 30 Zentimeter hohen Sumpfgewächsen standen am Ende des Devon 30 Meter hohe Bäume, deren Blätter große Mengen Kohlendioxid aus der Luft holten. Aus einigen dieser frühen Wälder entstanden im Laufe vieler Jahrmillionen die riesigen Kohlelagerstätten, die heutzutage in China ausgebeutet werden. Der dort gespeicherte Kohlenstoff fehlte damals in der Atmosphäre, ein Temperatursturz war die wahrscheinliche Folge.

Obendrein drangen damals zum ersten Mal die Wurzeln der Bäume bis in tiefe Bodenschichten und holten von dort wichtige Nährstoffe in die Gehölze. »Starben die Bäume, wurden viele der in ihnen enthaltenen Nährstoffe ins Meer geschwemmt und lösten dort Algenblüten aus«, so Kießling. Später wurden diese Algenmassen rasch von anderen Organismen zersetzt, die dabei den im Wasser vorhandenen Sauerstoff aufbrauchten. Ohne Sauerstoff wiederum starben alle Organismen, die auf dieses Gas angewiesen sind. Gleichzeitig stockte der Abbau toter Biomasse, große Mengen nur teilweise oder gar nicht zersetzter Organismen sanken auf den Grund und bildeten dort faulige, dunkle Schichten, die später zu Schwarzschiefer zusammengepresst wurden. Solche Ablagerungen wurden im Laufe vieler Millionen Jahre zu Erdölmuttergesteinen.

Ölschiefer als Zeugnisse

Ölschiefer entstanden nicht nur bei fast allen anderen Massenaussterben, sondern ebenso bei kleineren Ereignissen. So erholten sich zum Beispiel vor rund 180 Millionen Jahren die Korallen gerade von einem Exitus, der 20 Millionen Jahre früher am Ende der Trias die Artenvielfalt drastisch dezimiert hatte, als das Klima erneut abrupt wärmer wurde. Damals verschwanden »nur« 20 bis 30 Prozent aller Arten, zu einem echten Massenaussterben reichten diese Werte nicht. Es gab aber selbst in den normalerweise vor Leben wimmelnden Schelfmeeren keinen Sauerstoff mehr, am Grund bildete sich sehr viel Faulschlamm, aus dem inzwischen der Posidonien-Schiefer Mittel- und Nordwesteuropas geworden ist, auch Schwäbischer Ölschiefer genannt.

Und ähnliche Schichten bildeten sich zudem bei der bislang größten Katastrophe dieser Art vor 252 Millionen Jahren. Damals waren am Ende des Erdzeitalters Perm gigantische Lavaströme mit hohem Tempo, aber ruhig und gleichmäßig ohne größere Eruptionen aus dem Boden des heutigen Sibiriens gequollen. Bis zu drei Kilometer hoch bedecken diese Flutbasalte heute eine Fläche von rund zwei Millionen Quadratkilometern. Das ist eine Region von fast der halben Größe der Europäischen Union. Aus dieser unvorstellbar großen Menge an flüssigem Gestein entwichen gigantische Massen des Treibhausgases Kohlendioxid in die Luft. Zusätzlich brannten dort im Untergrund wohl riesige Kohleflöze, aus denen vermutlich ebenfalls größere Mengen Kohlendioxid aufstiegen. Der daraus resultierende Treibhauseffekt jagte die Temperaturen auf der Erde um mehr als zehn Grad Celsius nach oben.

Tödliches Trio

Ein Teil des freigesetzten Kohlendioxids löste sich damals im Wasser und machte das Meer saurer. Heute passiert das Gleiche. In dieser Situation bekommen Steinkorallen und viele andere Tiere Schwierigkeiten, weil sie im saureren Wasser schwer oder gar nicht mehr Kalk abscheiden können, mit dem sie eine Schutzhülle oder ein Skelett aufbauen. »Tatsächlich starben vor 252 Millionen Jahren alle urtümlichen Korallen aus«, sagt Kießling: eine Naturkatastrophe, deren Anfänge man heute bereits wieder in den Meeren beobachtet werden kann.

Obendrein war das Wasser wärmer und enthielt daher deutlich weniger Sauerstoff als kühlere Meere. Nur läuft der Organismus von Fischen und anderen Meerestieren im Warmen auf deutlich höheren Touren. Die Tiere brauchen daher mehr Sauerstoff, während das Wasser gleichzeitig immer weniger davon enthielt. »Dieses tödliche Trio aus steigenden Temperaturen, versauerndem Wasser und verknapptem Sauerstoff ließ damals rund 85 Prozent aller Arten aussterben«, sagt Wolfgang Kießling.

Diese tödliche Kombination aus wärmerem und saurerem Wasser mit weniger oder gar keinem Sauerstoff beobachtet die Forschung heute erneut. Bahnt sich also vor unseren Augen gerade eine Situation an, die ähnlich wie mehrmals vor vielen Millionen Jahren sehr viele Arten aussterben lassen wird? Einfach lässt sich diese Frage schon deshalb nicht beantworten, weil noch weitere Faktoren die Auswirkungen des Klimawandels beeinflussen.

Einen davon hat Gregor Mathes aus der Bayreuther Gruppe von Manuel Steinbauer vor Kurzem identifiziert. Die Vorgeschichte des Klimas ist demnach sehr wichtig: Folgt einer langsamen Abkühlung des Klimas ein rascher Anstieg der Temperaturen, stammen viele Organismen noch aus wärmeren Epochen.

Möglicherweise haben sie noch einige Eigenschaften aus der Zeit ihrer Urahnen bewahrt, mit denen sie den raschen Temperaturanstieg verkraften. Ganz anders war die Situation vor 252 Millionen Jahren: Damals waren die Temperaturen bereits in den Jahrmillionen zuvor langsam immer weiter angestiegen. Als dann die Flutbasalte Sibiriens das Klima rasch noch viel wärmer werden ließen, konnten viele Organismen diesem zusätzlichen und starken Temperaturanstieg wenig entgegensetzen. Das größte Artensterben der letzten 500 Millionen Jahre begann.

Heute könnte diese Situation wieder eintreten: Seit dem Höhepunkt der letzten Eiszeit vor gut 20 000 Jahren wird es auf dem Globus wieder wärmer. »Und jetzt setzen wir auf diese Entwicklung mit dem Klimawandel noch einen drauf«, sagt Steinbauer.

Eine Studie von Andreas Wagner von der Universität Zürich und seinem Team deutet an, wie die Entwicklung laufen könnte. Die Arbeitsgruppe hat Bakterien in der Antarktis untersucht und dabei einen an die dortige Kälte gewöhnten Bakterienstamm an ein Leben in einer 30 Grad Celsius warmen Welt angepasst. Danach war aber Schluss: Sobald sie den Mikroben noch einen weiteren Wärmeschub verpassten, strichen alle Bakterien die Segel. Offensichtlich hatten sie die Grenze der Anpassungsfähigkeit erreicht.

Der Haken an den Studien

Allerdings gibt es bei allen diesen Überlegungen einen grundsätzlichen Haken: »Wir wissen nicht genau, wie schnell das Klima bei den Massenaussterben der Vergangenheit wärmer wurde«, sagt Wolfgang Kießling. »Geschah es ähnlich wie heute in Jahrzehnten, oder dauerte es doch einige Jahrtausende?«

Fossile Fische | Am Ende des Devons sorgten gewaltige Algenblüten für sauerstoffarme Bedingungen in den Ozeanen. In der Folge starben auch Fische aus.

Hintergrund dieser Überlegung ist die Methode, mit der in der Paläontologie das Auf und Ab der Artenvielfalt bestimmt wird: Grundlage sind Organismen, die damals tot auf den Grund eines Ozeans sanken und später zu Stein wurden. Solche Fossilien bilden Schichten, in der die Versteinerungen eigentlich alle aus der gleichen Zeit stammen sollten, die sich mit den heutigen Methoden der Naturwissenschaft gut bestimmen lässt. Nur graben viele Organismen den Untergrund auf der Suche nach Fressbarem immer wieder um oder wühlen Stürme den Meeresboden auf und bringen so die feinen Schichten kräftig durcheinander. »Daher können wir das Massensterben und den Klimawandel vor rund 252 Millionen Jahren nur auf etwa 20 000 Jahren eingrenzen«, schildert Wolfgang Kießling die Folgen dieser Ereignisse. Es ist daher durchaus möglich, dass damals kurze, mit dem heutigen Klimawandel vergleichbare Wärmepulse das starke Artensterben ausgelöst haben.

Manuel Steinbauer von der Universität Bayreuth analysiert dagegen Veränderungen der Artenvielfalt in heutiger Zeit. So hat der Ökologe gemeinsam mit etlichen Forscherinnen und Forschern die Pflanzenarten untersucht, die auf Gipfeln in verschiedenen Gebirgen Europas wachsen. Auf 86 Prozent der untersuchten 302 Gipfel zwischen Norwegen und Schottland im Norden sowie den Pyrenäen und den Karpaten im Süden fand das Team mehr Arten als in früheren Kartierungen, die zum Teil vor mehr als einem Jahrhundert durchgeführt worden waren. Diese Zunahme der Arten hat sich in den letzten 50 Jahren kräftig beschleunigt.

Offensichtlich wirkt sich der Klimawandel in den Höhenlagen verstärkt aus: Bei steigenden Temperaturen können Arten auf den Gipfeln wurzeln, die vorher nur in tieferen Regionen vorkamen. Das fördert momentan die Vielfalt, könnte sich jedoch bald ändern: Mit der Zeit verdrängen die Neuankömmlinge wahrscheinlich die bisherigen Hochgebirgsbewohner, weil diese besser an höhere Temperaturen gewöhnt und konkurrenzstärker sind. »Die Alteingesessen können allerdings weder weiter nach oben noch auf oft zu weit entfernte Nachbargipfel ausweichen«, sagt Steinbauer. Die Situation auf den Gipfeln erinnert an die Situation auf Inseln, wo Neuankömmlinge sich oft durchsetzen, während die ursprünglich endemischen Tiere und Pflanzen häufig keine Chance haben auszuweichen. Ihr Verschwinden bedeutet schlicht Aussterben.

Edelweiß | Die Erderwärmung sorgt dafür, dass Wärme liebende Arten sich höhen- und nordwärts ausbreiten, während Kälte liebende Spezies sich oft zurückziehen. Finden sie keine Refugien mehr im Hochgebirge oder den höheren Breiten, sterben sie aus.

Die Warnung der Zwerge

Berggipfel und Inseln der Neuzeit lassen sich kaum mit der Situation vor Jahrmillionen vergleichen, weil es kein eindeutig zuordenbares Vergleichsmaterial gibt. Der Paläontologe Wolfgang Kießling und sein Team haben aber eine Vorwarnung vor einem Massenartensterben gefunden, die auch heute die Alarmglocken schrillen lässt: Im heutigen Iran existieren vier Meter dicke Ablagerungen, die sich unmittelbar vor dem großen Artensterben vor 252 Millionen Jahren am Grund eines Meeres gebildet haben. »Dort können die einzelnen Schichten auf 100 Jahre genau aufgelöst werden«, sagt der Erlanger Forscher.

In den Meeren damals lebten sehr viele Ammoniten genannte Tintenfische, die sich mit einer Kalkschale vor Feinden schützten. Vor Beginn der Klimaerwärmung hatten diese Kalkschalen einen Durchmesser von rund 15 Zentimetern. Dann stiegen die Temperaturen, im Wasser wurde nicht nur der Sauerstoff knapp, sondern schwammen auch weniger Nährstoffe. Durch diesen Mangel wurden die Ammoniten immer kleiner, alle 100 Jahre sind ihre Schalen in den Schichten der Ablagerungen ein wenig geschrumpft. Kurz bevor das Artensterben begann, hatten sie im Durchschnitt nur noch drei Zentimeter Durchmesser. Eine solche Verzwergung lässt sich heute bei Muscheln im Meer und bei Vögeln im Amazonasgebiet beobachten. »Nur treibt heute nicht Kohlendioxid aus Vulkanen, sondern aus Industrieschloten, Ölheizungen und Autoauspuffrohren die Temperaturen in die Höhe und schafft gute Voraussetzungen für das tödliche Trio«, sagt Kießling.

Die nahe Zukunft

Modellrechnungen von Manuel Steinbauer deuten darauf hin, dass der Klimawandel unserer Zeit das Artensterben weiter anfeuern wird. »Allerdings sind Ökosysteme zu komplex, um so seriöse Vorhersagen zu machen«, erklärt der Bayreuther Forscher. Gleichzeitig deuten alle Indizien darauf hin, dass der Klimawandel die Artenvielfalt zusätzlich zu den bereits laufenden Änderungen stark unter Druck setzen wird. »Und weil der Klimawandel sehr schnell und massiv kommt, sind große Probleme zu erwarten«, sagt Steinbauer.

Korallenbleiche | Die Aufheizung der Meere trifft besonders Korallenriffe: Wird es den Korallen zu warm, stoßen sie ihre Symbionten ab und bleichen aus – auf Dauer verringert das massiv ihre Überlebenschancen.

»Die vergangenen durch Erwärmungen ausgelösten Massenaussterbeereignisse haben hochmobile Arten mit einem schnellen Stoffwechsel deutlich besser als andere überlebt«, sagt Kießling. Dazu gehören zum Beispiel Raubfische, die zwar viel Sauerstoff brauchen und daher unter dem bereits beginnenden Sauerstoffmangel besonders leiden. »Nur können diese flexiblen Arten dem Klimawandel viel besser ausweichen, als die den Muscheln ähnelnden Brachiopoden.« Diese Organismen haben relativ dicke Schalen und filtern ihre Ernährung seit mehr als 500 Millionen Jahren aus dem Wasser. Am Ende des Perms schrammten die sesshaften Brachiopoden nur ganz knapp am Aussterben vorbei.

»Besonders betroffen dürften Arten sein, die auf Temperaturveränderungen empfindlich reagieren«, nennt Kießling einen weiteren Zusammenhang. Ebenso gelten Arten, die in Symbiosen leben, als besonders anfällig. In solchen Gemeinschaften ergänzen sich zwei Partner sehr stark und hängen daher voneinander ab. Steinkorallen schützen nicht nur sich selbst mit einer Kalkhülle, sondern genauso winzige Algen, die innerhalb dieses Panzers leben. Während die Korallen Nährstoffe aus dem Wasser fischen, ergänzen die Algen diese Ernährung mit Bioenergie, die sie mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid und Wasser herstellen. Schwächelt einer dieser Symbionten, leidet gleich die gesamte Zweckgemeinschaft, die auf Gedeih und Verderb voneinander abhängt. Das könnte der entscheidende Grund sein, weshalb es Korallenriffe bisher in allen Artensterben der Vergangenheit erwischt hat – und sie auch heute wohl wieder nicht glimpflich davonkommen.

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