Mikroben in der Wüste - Ein neues Archiv für die Klimaforschung

Ein Verdunstungsbecken in der Kalahari (Foto: S. Genderjahn, GFZ).

Probennahme in der Wüste (Foto: S. Genderjahn, GFZ).

27.06.2017: Unter einem extremen Klima schaffen es nur wenige Zeugen von Umweltbedingungen der Vergangenheit, bis heute zu überdauern. Pollen zum Beispiel, die auf die Zusammensetzung der Vegetation früherer Zeiten hinweisen können, bleiben in Klimaarchiven wie Seesedimenten nur unter ganz bestimmten Bedingungen erhalten. In extrem trockenen Regionen wie der Kalahari in Südafrika sind Archive mit Pollen oder anderen Klimazeugen besonders rar. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der GFZ-Sektionen Geomikrobiologie und Organische Geochemie haben sich in Südafrika, zusammen mit einem Kollegen der Carl von Ossietzky Universität in Oldenburg, auf die Suche nach bisher nicht erschlossenen Klimaarchiven gemacht.

Die Kalahari in Südwestafrika ist eine Dornstrauchsavanne, die aber wegen des vorherrschenden Sandes auch als Wüste bezeichnet wird. Die Klimaforschung untersuchte die Klimaentwicklung der Vergangenheit dieser Region bisher vor allem anhand von kalkhaltigen Ablagerungen wie Tuffsteinen (verfestigtem vulkanischen Gestein) oder Stromatolithen (Ablagerungen aus Stoffwechselresten von Bakterien) und Tropfsteinen. Diese Klimaarchive sind jedoch selten und die Klimarekonstruktion für die Kalahari ist deshalb sehr lückenhaft.

Ein häufiges Landschaftselement in Südafrika sind Verdunstungsbecken, sogenannte Pfannen. Winderosion formt diese Senken während Trockenperioden, in feuchteren Phasen sammelt sich durch ablaufendes Oberflächenwasser Sediment an. Weiteres Sediment wird durch Winde hinein transportiert. In einer neuen Studie, veröffentlicht im Fachjournal Organic Geochemistry, spüren die WissenschaftlerInnen der mikrobiellen Aktivität in einem Verdunstungsbecken nach. Steffi Genderjahn, Erstautorin der Studie und gemeinsame Doktorandin der GFZ-Sektionen Geomikrobiologie und Organische Geochemie: „Wasser ist eine Grundvoraussetzung für mikrobielles Leben. Wenn wir Signale von Mikroorganismen finden, können wir daraus schließen, dass zu deren Lebzeiten Wasser verfügbar gewesen sein muss. Wir haben deshalb die Hypothese aufgestellt, dass wir anhand der Menge und Zusammensetzung mikrobieller Lebensgemeinschaften in Verdunstungsbecken auf die klimatischen Bedingungen der Vergangenheit schließen können.“

Fossile Moleküle in Verdunstungsbecken

Da die Mikroben der Vergangenheit längst nicht mehr leben, untersuchten die WissenschaftlerInnen deren molekulare Überreste, sogenannte Biomarker. Das sind molekulare Reste von Lipiden, in diesem Fall aus den Membranen von Mikroorganismen, die auch heute noch anzeigen, von welchen Mikroorganismen sie einst gebildet wurden. In der Witpan, einem Verdunstungsbecken in der südlichen Kalahari, hat das Team die Sedimentabfolge der oberen 1,20 Metern beprobt. Zusammen mit Untersuchungen von Veränderungen der Sedimenteigenschaften, wie dem Anteil von Kohlenstoff organischen Ursprungs, dienen die enthaltenen mikrobiellen Biomarker als Schlüssel zur Vergangenheit.

Die WissenschaftlerInnen fanden Biomarker von Mikroorganismen, die auf salzhaltige und nährstoffarme Bedingungen hinweisen. Außerdem konnten starke Veränderungen in der Menge der Mikroorganismen und Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft im Zeitverlauf – je weiter unten im Sediment, desto weiter in der Zeit zurück – festgestellt werden, was den WissenschaftlerInnen tiefe Einblicke in die Klimageschichte der südwestlichen Kalahari ermöglicht.

Die erbohrten Sedimente umfassen eine Zeitspanne vom letzten glazialen Maximum (LGM) vor etwa 20.000 Jahren bis ins heutige Holozän. Die molekularen Klimazeugen aus den Beckensedimenten deuten darauf hin, dass es während des LGM vergleichsweise feucht in der Kalahari war. Während der darauffolgenden Warmphase finden sich hingegen nur noch wenige Spuren von mikrobiellem Leben, und die Signale, die sich finden, weisen auf Trockenheit, wenig Nährstoffe und kaum Vegetation hin. In den obersten Schichten zeigen sich wiederum deutliche Spuren von Leben. In der jüngeren Vergangenheit muss Wasser also immer wieder mal, wahrscheinlich durch saisonalen Regen, verfügbar gewesen sein. Die WissenschaftlerInnen haben ihre Methode auch auf ein weiter nordwestlich gelegenes Becken angewandt und dort um DNA-basierte Untersuchungen ergänzt. Die Ergebnisse stehen ebenfalls kurz vor der Veröffentlichung und scheinen die aktuelle Studie zu bestätigen. Tatsächlich steht also der Klimaforschung mit den Verdunstungsbecken in trockenen Gebieten wie der Kalahari, die ansonsten arm an regionalen Klimadaten sind, ein neues Archiv zur Verfügung. (ak)

Originalstudie: Genderjahn, S., Alawi, M., Kallmeyer, J., Belz, L., Wagner, D., Mangelsdorf, K., 2017. Present and past microbial life in continental pan sediments and its response to climate variability in the southern Kalahari. Organic Geochemistry 108, pp 30-42. DOI: 10.1016/j.orggeochem.2017.04.001