Kieselalgen, einzellige Algen mit kunstvollen, glasigen Schalen, werden oft wegen ihrer atemberaubenden Schönheit bewundert. Diese Algen spielen eine wichtige Rolle in der Chemie und Ökologie der Ozeane und tragen zu Lebzeiten zur Klimaregulierung und zu marinen Nahrungsnetzen bei. Neue Forschungsergebnisse zeigen nun, dass ihre Auswirkungen noch lange nach ihrem Tod anhalten, die Chemie der Ozeane rasch verändern und möglicherweise das Klima der Erde auf bisher unterschätzte Weise beeinflussen.
Die unerwartete Geschwindigkeit der umgekehrten Verwitterung
Ein Team von Wissenschaftlern der Georgia Tech hat herausgefunden, dass sich die auf Siliziumdioxid basierenden Skelette von Kieselalgen überraschend schnell in Tonmineralien umwandeln – und zwar innerhalb von nur 40 Tagen. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass dieser Prozess, der als „Umkehrverwitterung“ bezeichnet wird, Hunderte bis Tausende von Jahren dauert. Die in Science Advances veröffentlichten Ergebnisse unterstreichen die dynamische Rolle dieser mikroskopisch kleinen Organismen bei der Regulierung des Klimas des Planeten.
Von Glas zu Ton: Eine chemische Transformation
Wenn eine Kieselalge stirbt, löst sich der größte Teil ihres Silica-Skeletts auf. Allerdings kann die verbleibende Kieselsäure einer umgekehrten Verwitterung unterliegen – einem Prozess, der sie in neue Tonminerale mit Spurenmetallen umwandelt. Durch diesen Prozess wird auch zuvor gebundener Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freigesetzt, da Sedimente mit Meerwasser reagieren. Dieses Zusammenspiel zwischen Silizium, Kohlenstoff und Spurenmetallen hat erheblichen Einfluss auf die Chemie der Ozeane und trägt dazu bei, das Erdklima im Laufe der Zeit zu stabilisieren.
Wiederherstellung der Meeresbodenbedingungen im Labor
Um zu verstehen, wie und wie schnell es zu einer umgekehrten Verwitterung kommt, bauten die Forscher einen speziellen Zweikammerreaktor, der die Bedingungen am Meeresboden simuliert. Eine Kammer enthielt Kieselalgenkieselsäure, während die andere Eisen- und Aluminiummineralien enthielt, getrennt durch eine Membran, die die Vermischung gelöster Elemente ermöglichte. Mithilfe fortschrittlicher Mikroskopie, Spektroskopie und chemischer Analyse verfolgte das Team die vollständige Umwandlung von der Auflösung der Kieselalgenschale bis zur Bildung neuen Tons.
Die Ergebnisse waren verblüffend: Innerhalb von nur 40 Tagen verwandelte sich die Kieselalge in eisenhaltige Tonmineralien – dieselben Mineralien, die auch in Meeressedimenten vorkommen. Dies zeigt, dass die umgekehrte Verwitterung kein langsamer Hintergrundprozess ist, sondern ein aktiver Bestandteil der Chemie des modernen Ozeans, der die Verfügbarkeit von Kieselsäure, den Kohlendioxidgehalt und das Nährstoffrecycling beeinflusst.
Implikationen für Klimamodellierung und Ozeanökosysteme
„Es war bemerkenswert zu sehen, wie schnell sich Kieselalgenskelette in völlig neue Mineralien verwandeln konnten und die Mechanismen hinter diesem Prozess zu entschlüsseln“, sagte Simin Zhao, der Erstautor der Studie.
Die schnelle Umwandlung von Kieselalgen hat weitreichende Auswirkungen. Dies deutet darauf hin, dass die Chemie der Ozeane dynamischer ist und möglicherweise stärker auf moderne Umweltveränderungen reagiert als bisher angenommen. Die Ergebnisse lösen auch ein seit langem bestehendes Rätsel: Wissenschaftler wissen, dass mehr Kieselsäure in den Ozean gelangt, als vergraben wird, und diese Forschung legt nahe, dass ein Großteil davon durch schnelle umgekehrte Verwitterung in neue Mineralien umgewandelt wird.
„Kieselalgen sind für Meeresökosysteme und die globale Kohlenstoffpumpe von zentraler Bedeutung“, erklärte Jeffrey Krause, Co-Autor und Ozeanograph. „Wir wussten bereits zu Lebzeiten um ihre Bedeutung. Jetzt wissen wir, dass die Überreste von Kieselalgen auch nach ihrem Tod weiterhin die Chemie des Ozeans auf eine Weise prägen, die sich auf den Kohlenstoff- und Nährstoffkreislauf auswirkt – ein echter Game-Changer.“
Zukünftige Forschung und eine Erinnerung an die Grundlagenwissenschaft
Die Forschung des Teams wird Klimamodellierern dabei helfen, die Rolle des Ozeans bei der Regulierung des atmosphärischen Kohlenstoffs zu untersuchen und Modelle für die Alkalinität der Ozeane und die Versauerung der Küsten zu verbessern. Ihre nächsten Schritte bestehen darin, zu untersuchen, wie sich Faktoren wie die Wasserchemie auf diese Transformationen auswirken, und Proben aus Küsten- und Tiefseeumgebungen zu untersuchen, um zu sehen, wie sich diese Laborergebnisse auf die natürliche Welt übertragen lassen.
„Diese Studie verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler über den Meeresboden denken, nicht als passive Grabstätte, sondern als dynamischen chemischen Motor“, sagte Yuanzhi Tang, leitender Autor der Studie.
Die Forschung ist eine eindrucksvolle Erinnerung an die Bedeutung grundlegender wissenschaftlicher Untersuchungen und zeigt, wie molekulare Prozesse in winzigen Organismen tiefgreifende Auswirkungen auf Erdsysteme haben können.
