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Wie die Auflösung von Muschelschalen dazu beiträgt, die Alkalinität des Ozeans zu erhalten

von Alan Petrillo
November 2022

Wo liegt die Grenze zwischen einem Organismus und seiner Umgebung? Normalerweise scheinen unsere Augen in der Lage zu sein, diese Frage für uns zu beantworten. Wir können visuell Bäume vom Boden, Vögel vom Himmel und Muscheln vom Meer unterscheiden, aber der Schein kann trügen. Wir sehen vielleicht harte Grenzen zwischen lebenden und nicht-lebenden Dingen, aber sehen wir genauer hin: Die scheinbar festen Ränder von Organismen sind in Wirklichkeit ein poröses Gewebe.

Organismen werden zu dem, was sie sind, indem sie Materie mit ihrer Umwelt austauschen, und dieser Kreislauf formt auch die Umwelt. Unsere Augen und unser Verstand können vielleicht nur schwer wahrnehmen, was auf molekularer Ebene vor sich geht, aber die Auswirkungen des Zusammenspiels des Lebens mit der Umwelt können enorm sein - vielleicht so groß wie der Ozean selbst.

Der kleine aber wichtige Seeschmetterling

Nehmen wir zum Beispiel den Seeschmetterling. "Er ist wie eine Miniaturschnecke, die wir an Land sehen würden, aber mit Flügeln, um im Wasser herumzufliegen", sagt Olivier Sulpis, ein Forscher der Geochemie an der Abteilung für Geowissenschaften an der niederländischen Universität Utrecht. Seeschmetterlinge (auch Thecosomata genannt) sind weniger als 1 cm groß und produzieren ihre dünnen, durchsichtigen Schalen aus Aragonit, einer Form von Kalziumkarbonat (CaCO₃).

Seeschmetterlinge synthetisieren Aragonit aus Materialien, die im Meerwasser vorkommen, darunter Kalzium und Kohlenstoff. Wenn Seeschmetterlinge sterben, neutralisiert die Zersetzung ihrer Aragonitschalen einen Teil des CO2 (einer Säure) aus dem Meerwasser. Auf diese Weise trägt die riesige Population von Seeschmetterlingen weltweit dazu bei, die Alkalinität des Ozeans und damit sein Säurebindungsvermögen aufrecht zu erhalten. Ein steigender CO₂-Gehalt im Meer könnte jedoch die Bedingungen verändern, die es den Seeschmetterlingen ermöglichen, ihre Schalen zu produzieren. Eine abnehmende Population von Aragonitproduzenten könnte so zu einem Teufelskreis führen, der die Versauerung beschleunigt.

"Wir sagen von Seeschmetterlingen, dass sie die Erstindikatoren der Ozeanversauerung sind, weil sie so gefährdet sind", sagt Sulpis. Leider tut sich die Menschheit schwer damit, zu interpretieren, was diese Erstindikatoren uns sagen wollen. Seeschmetterlinge gibt es in Hülle und Fülle, aber vieles an ihnen bleibt ein Rätsel, vor allem, wenn sie sterben und in die tiefsten Tiefen des Ozeans sinken. Eine Theorie besagt, dass sich zersetzende Aragonitschalen CO₂ binden und neutralisieren, indem sie mit Kalzit (einer anderen Form von CaCO₃) interagieren, das sich in den Sedimenten des Meeresbodens befindet.

Dieser galvanische Tiefseeprozess könnte noch wichtiger für den Erhalt der Alkalinität der Ozeane sein als die Reaktionen, die stattfinden, während die Organismen noch leben. Chemische Prozesse im Mikrometermaßstab sind sehr schwer zu untersuchen, insbesondere wenn sie 1 km oder tiefer unter Wasser stattfinden. Um dieses schwer fassbare Phänomen besser zu verstehen, hat Sulpis ein neuartiges 3D-Modell entwickelt (vorgestellt in einem Artikel in Nature Communications vom März 2022), das zeigt, wie Aragonit mit kalzitreichen Sedimenten auf dem Meeresboden interagiert (Ref. 1).

Selbst im Tod helfen CaCO₃-Produzenten, das Leben im Meer zu erhalten

Seeschmetterlinge mögen wie ein unwahrscheinlicher Gegenstand für solch intensive Studien erscheinen, aber sie und andere CaCO₃ produzierenden Lebewesen haben einen enormen Einfluss auf ihre Umwelt. Während ihres Lebens unternehmen die Thecosomata vertikale Reisen, indem sie nachts an die Oberfläche aufsteigen und tagsüber abtauchen. Sie ernähren sich von Mikroorganismen und entnehmen dem Ozean Kalzium und gelösten Kohlenstoff, um damit ihre zerbrechlichen Aragonitschalen aufzubauen (Abbildung 2).

"Im Meerwasser sind Kalzium und gelöster Kohlenstoff überall vorhanden", sagt Sulpis. "Das macht sie zu idealen Bestandteilen für Organismen, die sie zum Aufbau von Kristallstrukturen verwenden." Viele Muscheln und auch die Exoskelette von Korallen bestehen aus Kalziumkarbonatverbindungen.

Die Korallenriffe der Welt sind vielleicht die sichtbarsten ozeanischen Beispiele für ein verwobenes Geflecht aus lebender und unbelebter Materie. Ein gesundes Riff besteht aus lebenden Korallen, die aktiv Kristallstrukturen aus Kalzium und gelöstem Kohlenstoff synthetisieren. Ein gesundes Riff enthält auch tote Korallen, die beim Zerfall weiterhin mit ihrer Umgebung interagieren. Die sich zersetzenden Korallen sorgen nicht nur für ein vielfältiges Ökosystem aus Pflanzen und Tieren, sondern tragen auch dazu bei, die Alkalinität des Ozeans aufrechtzuerhalten und die karbonatreichen Sedimente zu erweitern, die den Meeresboden bedecken. Die Muscheln der Thecosomata tragen ebenfalls zu diesen Sedimenten bei, obwohl ihre genaue Rolle noch ungeklärt ist.

Der fehlende Aragonit

Die meisten Korallen stellen ihre Skelette aus Kalzit her, der häufigsten CaCO₃-Verbindung, die in den Ozeanen vorkommt. Wie bereits erwähnt, bestehen die Schalen von Seeschmetterlingen aus Aragonit. "Aragonit und Kalzit sind beides CaCO₃-Verbindungen, aber ihre Kristallstrukturen sind unterschiedlich. Es ist, als ob sie aus denselben Ziegeln bestehen, aber diese Ziegel sind nicht auf die gleiche Weise angeordnet", erklärt Sulpis. Aus seiner Sicht verdient Aragonit aufgrund seiner Rolle im ozeanischen Karbonatkreislauf mehr Beachtung.

"Wir wissen nicht viel über Aragonit, aber wir können abschätzen, wie verbreitet er in den flacheren Gewässern ist, wo Seeschmetterlinge leben", sagt Sulpis. "Wir können auch bestätigen, dass ihre Schalen sinken und in die Tiefsee gelangen. Wenn wir Bohrkerne aus Tiefseesedimenten bergen, finden wir viel Kalzit, aber der Aragonit, den wir erwarten würden, ist nicht vorhanden. Wo also landet er?"

Eine mögliche Erklärung für den "fehlenden" Aragonit ist, dass der sich auflösende Aragonit in der Tiefsee chemisch mit Kalzit interagiert und so die letztere Verbindung vor der Auflösung schützt. Doch obwohl diese Theorie plausibel erscheint, ist sie aufgrund der Herausforderungen bei der Untersuchung des ozeanischen Aragonitkreislaufs schwer zu beweisen.

Eine "peinliche" Wissenslücke über den Aragonitkreislauf

In einem Twitter-Post vom März 2022 (Ref. 2) über seine Arbeit schrieb Sulpis: "Es ist peinlich, wie wenig über den Aragonitkreislauf in offenen Ozeanen bekannt ist." Auf diesen Kommentar angesprochen, lacht er und erklärt: "Wenn Sie sich die veröffentlichte Literatur ansehen, werden Sie Schätzungen finden, die besagen, dass Aragonit 10 % des gesamten Kalziumkarbonats im Ozean ausmacht. Aber Sie werden auch Studien finden, die schätzen, dass er 90 % des gesamten Kalziumkarbonats ausmacht! Wenn das die Bandbreite der besten Expertenschätzungen ist, dann ist das schon ziemlich peinlich!"

Das spärliche Wissen der Menschheit über den Aragonitkreislauf ist darauf zurückzuführen, dass es schwierig ist, Untersuchungen in den Tiefen des Ozeans durchzuführen. Wir haben nur begrenzte Möglichkeiten, empfindliche Messgeräte so weit unter der Oberfläche zu platzieren. Sulpis sagt: "Die Beobachtung von Reaktionen im Meerwasser in diesem Ausmaß und in dieser Tiefe ist nahezu unmöglich, da sie in einer Umgebung stattfinden, in die wir uns physisch nicht begeben können." Die physische Entnahme von Proben aus Tiefseesedimenten ist ebenfalls eine Herausforderung, insbesondere wenn die zu untersuchenden Materialien so zerbrechlich sind. "Es ist wirklich schwierig, Muscheln von Seeschmetterlingen mit einer Sedimentfalle zu bergen", sagt Sulpis. "Wenn man sie aus der Tiefe holt, haben sie sich wahrscheinlich schon aufgelöst. Es mangelt also an guten Daten über die Reaktionen von Kalziumkarbonat bei Druck und Temperatur der Tiefsee."

Es gab zwar schon früher Versuche, das Verhalten von Kalziumkarbonat im Meerwasser mathematisch zu modellieren, aber die bestehenden Modelle sind für Sulpis‘ Forschung nur von begrenztem Wert. "Die meisten Modelle haben das gesamte CaCO₃ als Kalzit behandelt, anstatt separate Modelle für Aragonit zu erstellen. Außerdem erfassen die bestehenden diagenetischen Kontinuums-Modelle nicht, was auf der Ebene eines einzelnen Korns oder einer einzelnen Pore in einer Muschel passiert", erklärt er.

Ein weiteres Problem ist, dass ältere Modelle die CaCO₃-Körner als glatte, einheitliche Objekte dargestellt haben, was nicht korrekt ist. "Wir wissen, dass diese Körner definitiv keine glatten Würfel oder Kugeln sind. Sie sind komplexe und heterogene Formen im Mikrometermaßstab mit Innen- und Außenseiten." Sulpis räumt zwar ein, dass einige Vereinfachungen notwendig sind, sagt aber: "Wir wollten die tatsächlichen Formen so genau wie möglich nachbilden, und zwar im kleinstmöglichen Maßstab. Bevor wir uns für die Vereinfachung einiger Strukturen entscheiden, wollten wir mit unserer Simulation bestätigen, dass diese Vereinfachungen die Ergebnisse nicht beeinträchtigen."

Ein simulierter Tauchgang in die Ozean-Sediment-Grenzzone

Um besser zu verstehen, wie Kalzit und Aragonit am Meeresboden interagieren, entwickelte Sulpis ein 3D-Modell mit der Software COMSOL Multiphysics®. Mit diesem Modell ist es möglich, sich virtuell in den Grenzbereichen zwischen den Meeresorganismen und ihrer Umgebung zu bewegen. Es ermöglicht den Forschern, die Auflösungsreaktionen zu simulieren, die zwischen Aragonit- und Kalzitkörnern und dem sie umgebenden Meerwasser stattfinden. Die Alkalinität, die Dichte und die chemische Zusammensetzung des Wassers wurden so eingestellt, dass sie den typischen Bedingungen in der Tiefsee entsprechen. Das Team modellierte verschiedene Feststoffe und simulierte deren Wechselwirkungen mit dem Meerwasser und den Sedimenten des Meeresbodens. Sulpis fügte auch Muschelmodelle zu seinem Sediment-Wasser-Modell hinzu, die auf Scans echter Exemplare basierten. Die in Abbildung 5 hervorgehobene Thecosomataschale von H. inflatus basiert zum Beispiel auf einem CT-Scan eines Exemplars aus dem Cariaco-Becken vor der Küste Venezuelas. Solche 3D-Bilder ermöglichten es der Simulation, zu erfassen, wie die unregelmäßige Form einer Muschel ihre Auflösung beeinflussen könnte.

Die Simulation zeigt, dass die innere Form einer Muschel keinen wesentlichen Einfluss darauf hat, wie sie mit Meerwasser reagiert. "Wenn Sie sich die oberste Zeile ansehen, sehen Sie, dass das eingeschlossene Wasser im Inneren dieser Muscheln vollständig mit CaCO₃ gesättigt werden kann. Dies verhindert eine weitere Auflösung entlang der komplexen inneren Oberfläche, so dass sich die Schalen von außen nach innen auflösen", sagt Sulpis. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine gewisse Vereinfachung der modellierten Form einer Muschel die Simulationsergebnisse nicht unbedingt beeinflusst, zumindest wenn die Muschel vollständig von Meerwasser umgeben ist.

Was passiert also, wenn eine Mischung aus Muschelschalen und Meerwasser zu kalzitreichem Sediment hinzukommt? Abbildung 6 zeigt die simulierten Auswirkungen dieser Interaktion. In Abbildung (b) ist eine sich auflösende Seeschmetterlingsmuschel zu sehen, die eine galvanisierende Wirkung auf in das Sediment gemischte Kalzitkörner ausübt. Diese Körner werden als Kugeln dargestellt – eine Vereinfachung, die Sulpis auf der Grundlage von Simulationsergebnissen wie denen in Abbildung 5 vorgenommen hat.

Das Meerwasser, das sich in der Nähe der Sediment-Wasser-Grenze mit Feststoffen vermischt, spielt bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle. "Bestehende 1D-Modelle lassen die Grenze zwischen Meeresboden und Wasser wie eine perfekte durchgezogene Linie aussehen", sagt er. In Wirklichkeit ist diese Grenze uneinheitlich und das Meerwasser zirkuliert um die Feststoffe herum, sogar unterhalb der scheinbaren Trennlinie. Die Erfassung der abgestuften Grenze zwischen Meerwasser und Sediment ist einer der Vorteile des 3D-Modells von Sulpis. Wenn sich die Thecosomataschale auflöst, wird das umgebende Meerwasser mit Aragonit gesättigt. Die Zone mit gesättigtem, mit Sediment vermischtem Meerwasser wird in Abbildung 6 (b) durch die rote Schattierung angezeigt. Dieses mit Aragonit gesättigte Meerwasser interagiert chemisch mit dem von anderen Organismen hinterlassenen Kalzit – und schütz es so.

Abbildung 6 (a) zeigt den Sättigungszustand des Meerwassers in Bezug auf Kalzit, d.h. seine Fähigkeit, sich in dieser Übergangszone zwischen Meer und Sediment aufzulösen. In einer Höhe von 1,5 mm über dem Meeresboden ist das Meerwasser untersättigt, und Kalzitkörner sollten sich leicht auflösen lassen. Die schwarze Linie zeigt, dass die Kalzitauflösung sich in Abwesenheit einer Aragonitquelle an der Sediment-Wasser-Grenzfläche fortsetzen sollte. Die rote Linie zeigt die Zone an, in der die Auflösung der Thecosomataschalen die Auflösung der suspendierten Kalzitkörner aufgrund der dadurch erzeugten Übersättigung aufhalten sollte.

Anderen helfen, die Meere zu schützen

Nachdem Sulpis eine neue Methode zur Analyse biochemischer Prozesse im Mikrometermaßstab unter Wasser entwickelt hat, untersucht er nun, wie seine Arbeit die weitere Forschung beeinflussen kann. "Unser nächster Schritt war der Versuch, diese Prozesse im Labor mit Kalzit und Seeschmetterlingsschalen in Bechergläsern zu replizieren. Bisher stimmen die experimentellen Ergebnisse mit denen der Simulation überein", sagt er. "Das Ziel ist es nun, diese Informationen zu nutzen, um besser zu interpretieren, was wir in situ beobachten können.“ Zu diesem Zweck haben Sulpis und seine Kollegen ein Stipendium des niederländischen Forschungsrats (NWO) erhalten, um direkt zu untersuchen, wie Aragonitproduzenten ihre Umwelt formen.

Der Organismus, dessen Aktivität die größten Auswirkungen auf seine Umwelt hat, ist natürlich der Mensch. Die vom Menschen verursachte Versauerung bedroht das lebenserhaltende Geflecht, das die Meeresbewohner zwischen ihren Teilen der Erde weben. Vor diesem Hintergrund gewinnt das umfassendere Projekt, die Karbonatkreisläufe zu verstehen, noch mehr an Dringlichkeit. "Verglichen mit der Menge an CO2, die wir den Ozeanen zuführen, wird nur eine winzige Menge neutralisiert", sagt Sulpis. "Vielleicht könnte der Karbonatkreislauf diese Aufgabe übernehmen, aber das könnte mehrere Jahrtausende dauern!"

Sulpis ist sehr daran interessiert, dass andere Menschen seine Forschung und Analysen nutzen, um die Welt der Seeschmetterlinge – und unsere – zu schützen. "Unsere Modelle sind alle frei zugänglich", sagt er, "und ich hoffe, dass auch andere sie nutzen können."

Olivier Sulpis‘ Simulationen der Auflösung von Kalziumkarbonat-Muscheln sind unter https://zenodo.org/record/5741613 als Download verfügbar.