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10.1 – Entwicklung und Bedeutung des Ökosystems Erde

Die Biosphäre ist ein einzigartiges Merkmal unseres Planeten. Seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren existiert Leben auf der Erde. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren erzeugten Mikroorganismen durch die Photosynthese eine zunehmend sauerstoffhaltige Atmosphäre. daraufhin konnten sich die Pflanzen- und die Tierwelt entwickeln und Nährstoffkreisläufe ausbilden, wie wir sie heute kennen.

Neue Verfahren haben in den letzten Jahren zu einer schnellen Entwicklung der Ökosystemforschung geführt. Dabei spielten zum Beispiel neue Methoden der Gelände-Beobachtung, der System-Modellierung, der experimentellen Ökologie, der Unterwasser-Technik sowie hoch auflösende und sensitive analytische Messverfahren eine Rolle. Heute umfasst die Ökosystemforschung eine riesige Spanne von Zeit- und Raumskalen. Sie wertet Satellitenmessungen globaler Prozesse aus und reicht bis zur Interaktion einzelner Bakterien mit Mineralien. Sie erfasst Isotopenverteilungen im Laufe der Erdgeschichte und erforscht die Photosynthese im Femtosekundenbereich, also in einer Zeitspanne von wenigen Billionstel Sekunden. Eine moderne Ökosystemforschung ist dringend notwendig, um die Herausforderungen des globalen Wandels zu bewältigen, die knappen natürlichen Ressourcen verantwortungsvoll zu nutzen und das Management der Naturräume zu verbessern. Die Ökosystemforschung beruht auf dem Verständnis des Geosystems, seiner erdgeschichtlichen Entwicklung sowie der Wechselwirkungen mit der Biosphäre. Die Geowissenschaften leisten hier auch in der Zukunft einen zentralen Beitrag in Forschung und Lehre.

Die Biosphäre ist ein einzigartiges Merkmal unseres Planeten. Seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren existiert Leben auf der Erde. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren erzeugten Mikroorganismen durch die Photosynthese eine zunehmend sauerstoffhaltige Atmosphäre. Da­raufhin konnten sich die Pflanzen- und die Tierwelt entwickeln und Nährstoffkreisläufe ausbilden, wie wir sie heute kennen. Warum sich ein so vielfältiges Ökosystem auf der Erde entwickeln konnte und warum diese Vielfalt immer wieder enormen Schwankungen unterworfen war, sind wichtige Fragen der Geowissenschaften.

Leben auf der Erde

Vor vier Milliarden Jahren, als die Leuchtkraft der Sonne etwa 20 Prozent unter dem heutigen Niveau lag, enthielt die Atmosphäre infolge des starken Vulkanismus große Mengen der Treibhausgase Methan und Kohlendioxid. Konvektionsströme im Erdmantel, die durch den radioaktiven Zerfall der Elemente Uran, Thorium und Kalium im Erdmantel angetrieben werden, halten den Vulkanismus in Gang. Durch die hohen Mengen an Treibhausgasen kam es zu einer folgenreichen Kettenreaktion. Zunächst heizten die Treib­hausgase die Atmosphäre auf. In diesem warmen Klima verwitterten die Gesteine schneller. Dadurch wurde der Atmosphäre wiederum Kohlendioxid entzogen, was zu einer Abkühlung führte.

Seit es Leben auf der Erde gibt, sorgen selbstregulierende geobio­logische Prozesse dafür, dass die Temperatur der Erde in einem lebensfreundlichen Bereich bleibt. Doch die Existenz des Ökosystems Erde ist endlich. Wenn die Konvektionsströme im Erdmantel in ferner Zukunft zum Stillstand kommen, wird die Erde so inaktiv wie ihr Mond. Doch schon viel früher, innerhalb der nächsten 500 bis 900 Millionen Jahre, wird die Erde zu heiß für höheres Leben, weil die Leuchtkraft der Sonne zunimmt und sich ihr Abstand zur Erde verringert. Die Geowissenschaften erforschen langfristige Änderungen der Umweltbedingungen, die seit Beginn der Erdgeschichte in den Gesteinen gespeichert sind und prüfen Hypothesen für die weitere Entwicklung der Erde. Gegenwärtig gelten allerdings kurzfristige Veränderungen als stärkste Bedrohung für viele Öko­systeme. Der rasante Anstieg des Treibhausgases Kohlendioxid und die globale Erwärmung, das exponentielle Wachstum der Weltbevölkerung und die damit verbundene Landnutzung haben vielerorts bereits Ökosysteme zerstört und Arten ausgelöscht.

Die geobiologische Uhr: Komplizierte Ökosysteme erschienen erst spät in der Erdgeschichte auf der Erde (Quelle: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen, nach R.A. Fensome et al. (Eds.) (2001): The Last Billion Years. A Geological History of the Maritime Provinces of Canada. Atlantic Geoscience Society)

Die Geowissenschaften untersuchen die Entwicklung der Ökosysteme und die Wechselwirkungen der Biosphäre mit der Geosphäre in vielfältigen Ansätzen. So übt das Leben einen enormen Einfluss auf die chemische und physikalische Entwicklung der Erde aus. Es ist zum Beispiel an der Sauerstoffproduktion, am Kohlenstoffkreislauf, an der Biomineralisation und an der Verwitterung beteiligt. Globale Veränderungen, etwa die derzeitige Klimaveränderung oder die Versauerung der Meere, beeinflussen wiederum Lebewesen, von der Entwicklung genetischer Informationen bis hin zur Struktur von Lebensgemeinschaften. Diese Wechselwirkungen sind die Kernthemen der Geobiologie. Dieses interdisziplinäre Fach setzt eine Vielfalt von geo- und biowissenschaftlichen Methoden ein und arbeitet komplementär zu den klassischen Arbeitsfeldern der Paläontologie. Die Paläontologie erforscht anhand von Fossilien, welche Lebewesen zu welcher Zeit auf der Erde lebten, wie sie miteinander verwandt waren, sich verbreiteten und sich entwickelten. Die Geobiologie beschäftigt sich dagegen mit heutigen und fossilen Organismen und den von ihnen angetriebenen Prozessen. In Zukunft sollten diese Forschungszweige enger an die Biodiversitätsforschung gekoppelt werden. Diese Entwicklung steht in Deutschland noch aus.

Geobiologie

Wissenschaftliche Herausforderungen

Heute wird der Ökosystemforschung vor allem eines abverlangt: Sie soll Antworten auf die Frage geben, wie das Leben auf der Erde auf den Klimawandel reagiert und mit welchen Umweltveränderungen zu rechnen ist. Wenn heute von ökologischen Krisen gesprochen wird, so geht es um spürbare Veränderungen der Ökosysteme wie auch der Lebensqualität der Menschen. Solche Krisen ereignen sich zum Beispiel, wenn sich Klimazonen verschieben, eisbedeckte Lebensräume schrumpfen oder Wüsten sich ausdehnen. Ähnliche Einschnitte treten außerdem ein, wenn große Mengen an Treibhausgasen wie CO2, Methan oder Stickstoffgasen freigesetzt werden, sich El-Niño-bedingte Klimaanomalien häufen oder sich die genetischen Ressourcen und die Funktionalität von Ökosystemen vermindern, weil die Biodiversität abnimmt.

Klimawandel

Welche Ursachen und Folgen Veränderungen des Ökosystems Erde haben, ist nur in Einzelfällen bekannt. Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessen sind kaum verstanden. Viele der derzeitigen Probleme stehen in einem globalen und gesellschaftlichen Kontext. Um Probleme mit globalen Auswirkungen modellieren und Vorhersagen entwickeln zu können, ist das Systemverständnis der Geowissenschaften notwendig. Allerdings sind die natürlichen Prozesse oft sehr träge, während die Veränderungen des globalen Klimawandels extrem schnell vor sich gehen. Noch ist viel zu wenig darüber bekannt, ob erdgeschichtliche Analogien zum heutigen Klimawandel genutzt werden können, um die Reaktion der Ökosysteme vorherzusagen. Zudem zeigen Entscheidungen, die heute getroffen werden, möglicherweise erst nach mehreren Generationen die gewünschte Wirkung. So ist es zwar 1989 durch das Montreal-Protokoll gelungen, den Ausstoß von FCKW in die Stratosphäre zu reduzieren. Bislang sind aber noch keine Anzeichen dafür zu erkennen, dass sich die Ozonschicht, die durch die FCKW zerstört wird, erholt. Eine der wesentlichen Zukunftsaufgaben der Geowissenschaften wird darin bestehen, gekoppelte biologische und geologische Prozesse des Erdsystems auf unterschiedlichen Zeitskalen zu verstehen.

Die Erforschung des Systems Erde in verschiedenen Epochen der geologischen Vergangenheit und Gegenwart wird in vielen Projekten verfolgt. Ökosystemforschung hilft dabei, Fernverbindungen zwischen weit entfernten Gebieten – so genannte „Telekonnek­tionen” – nachzuweisen und Veränderungen des Erdsystems auf regionalen und globalen Skalen zu erfassen. Aktuelle Ökosystem-Beobachtungen umfassen dabei je nach Problemstellung Zeitskalen von Stunden bis zu Jahrzehnten. Mit Hilfe von Umweltarchiven können Szenarien entwickelt werden, die untersuchen, wie sich Ökosysteme über längere Zeiträume entwickeln. Alle diese Themen sind nur interdisziplinär zu bewältigen. Um sie zu erforschen, sind geeignete Methoden nötig, mit denen sich die komplexen, gekoppelten Prozesse im System Erde verstehen lassen. Ein weiterer wichtiger Schritt besteht darin, die Ökosystem- und Umweltforschung interdisziplinär zu verstärken. So kann sie die Veränderung der Lebensräume an Land und im Meer effektiver untersuchen und das heutige Erdsystem besser verstehen. Zudem ermöglicht es diese Forschung, die zu erwartenden globalen Veränderungen in den nächsten hundert Jahren vorhersagen zu können.

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:06 durch Jana Stone | Impressum