Wiederkehrende Phosphorspitzen in den Meeren während großer paläozoischer Massenaussterben und Klimawandel

Alte Meere und das Rätsel sterbender Ozeane

Lange bevor die Dinosaurier auftauchten, erlebten die Ozeane der Erde massive Zusammenbrüche, die den Großteil der marinen Arten auslöschten. Wissenschaftler vermuteten schon länger, dass plötzliche Zunahmen des Nährstoffs Phosphor diese Krisen mitverursacht haben könnten, doch es fehlte an direkten Methoden, um die damaligen Bedingungen im Meer zu prüfen. Diese Studie entwickelt und wendet eine chemische „Zeitkapsel“ auf alte Gesteine an und zeigt kurzzeitige, aber starke Phosphorspitzen, die zeitlich mit zwei der frühesten Massenaussterben und mit raschen Klimaschwankungen übereinstimmen.

Hinweise verborgen in altem Meereslehm und Gestein

Die Forschenden konzentrierten sich auf zwei Massenaussterben im frühen Paläozoikum: das späte Ordovizium vor etwa 445 Millionen Jahren und das späte Devon vor etwa 372 Millionen Jahren. Jedes dieser Ereignisse vernichtete rund 80 Prozent des marinen Lebens und stand im Zusammenhang mit starker globaler Abkühlung und Veränderungen des Sauerstoffgehalts in den Ozeanen. Um die Nährstoffgeschichte zu untersuchen, maßen die Wissenschaftler winzige Mengen an Phosphor, die in Karbonatmineralen eingeschlossen sind — ein Signal, das als carbonate-associated phosphate (CAP) bezeichnet wird. Da Meerwasserphosphor beim Wachstum von Karbonat proportional in das Mineral eingebaut wird, fungiert CAP als chemisches Schnappschuss der Nährstoffkonzentration zur Zeit der Bildung jeder Gesteinsschicht.

Kurzzeitige Nährstoffschübe mit globaler Reichweite

Das Team entnahm Proben aus sieben Gesteinsabschnitten auf ehemaligen Kontinenten, darunter Standorte in Kanada, Estland, Südchina, Westaustralien und Nevada. Trotz Unterschieden in Gesteinstyp und lokalen Bedingungen zeigten die CAP-Aufzeichnungen dasselbe Muster: mäßige Hintergrundwerte von Phosphor, unterbrochen von scharfen, kurzlebigen Spitzen. Während des späten Ordoviziums trat ein deutlicher Phosphorgipfel genau zu Beginn der zweiten, stärkeren Aussterbewelle auf. Im späten Devon umrahmten zwei Phosphorspitzen das Hauptsterbeintervall. Die Übereinstimmung dieser Spitzen an weit entfernten Orten deutet darauf hin, dass sie Änderungen im globalen Ozean widerspiegeln und nicht lokale Sedimentbesonderheiten oder nachträgliche Veränderungen.

Verknüpfung von Nährstoffen, Sauerstoffverlust und globaler Abkühlung

Um zu verstehen, welche Folgen diese Phosphorschübe für die Erdsysteme hatten, speisten die Wissenschaftler sie in ein Computermodell ein, das simuliert, wie Nährstoffe, Kohlenstoff, Sauerstoff und Klima über Millionen von Jahren interagieren. Im Modell führt zusätzlicher Phosphor im Ozean zu intensivem Algenwachstum. Wenn diese organische Substanz absinkt und zersetzt wird, verbraucht sie Sauerstoff und vergrößert sauerstoffarme Zonen am Meeresboden. Gleichzeitig wird mehr organisches Material in Sedimenten vergraben, wodurch Kohlenstoff gebunden und langfristig das Kohlendioxid in der Atmosphäre gesenkt wird. Das Ergebnis sind ausgeweitete Ozean-Anoxien und eine globale Abkühlung um einige Grad, was mit unabhängigen Belegen aus Uran- und Sauerstoffisotopen sowie aus organisch reichen schwarzen Schiefern im Gesteinsbestand übereinstimmt.

Unterschiedliche Todesursachen in verschiedenen alten Ozeanen

Das Timing der Phosphorimpulse liefert ein nuancierteres Bild darüber, wie sich diese Krisen abspielten. Im späten Ordovizium trat die erste Aussterbewelle auf, als die Phosphorwerte noch niedrig waren, was auf Gletscherabkühlung und fallenden Meeresspiegel als hauptsächliche frühe Ursachen hinweist. Der große Phosphorgipfel folgte später und stimmt mit Zeichen stärkerer Sauerstoffverluste und der zweiten Aussterbewelle überein, in der sowohl bodenbewohnende als auch freischwimmende Organismen stark betroffen waren. Im Gegensatz dazu standen im späten Devon steigende Phosphorwerte und wachsende sauerstoffarme Zonen bereits während der ersten Riffkrise im Gange und erreichten ihren Höhepunkt kurz vor dem Hauptaussterben der Riffbildner, schalentragenden Tiere und freischwimmenden Fische. Ein zweiter Phosphorschub folgte und verlängerte offenbar die schlechten Lebensbedingungen und verlangsamte die Erholung der Ökosysteme, ohne dass ein neuer Austrittsgipfel stattfand.

Warum diese alte Geschichte heute wichtig ist

Insgesamt liefert die Studie den ersten globalen, quantitativen Nachweis, dass kurzzeitige Phosphorspitzen die alten Ozeane wiederholt in Richtung Sauerstoffverlust, Klimaabkühlung und ökologischen Zusammenbruch drängten. Die Ergebnisse zeigen, dass Nährstoffe potente Verstärker waren und keine einfachen Ein-/Aus-Schalter — manchmal wirkten sie zusammen mit Abkühlung und Meeresspiegeländerungen, manchmal bestimmten sie das Tempo der Erholung. Indem diese alten Ereignisse verdeutlichen, wie sensibel das marine Leben auf vergleichsweise kurzlebige Nährstoffschocks reagiert, bieten sie eine mahnende Parallele zu modernen Küsten-Todeszonen und vom Menschen verursachter Nährstoffbelastung in heutigen Meeren.

Zitation: Dodd, M.S., Li, C., Zhang, Z. et al. Recurring marine phosphorus spikes during major palaeozoic mass extinctions and climate change. Nat Commun 17, 4481 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70701-y

Schlüsselwörter: Phosphorkreislauf, Ozean-Anoxie, Massenaussterben, Paläoozeanographie, globale Abkühlung