Warum wechseln Fossilschalen ihre Spiralen?

Tausende oder manchmal Millionen Jahre lang bautenmarine Planktonorganismen weltweit ihre Spiralgehäuse in eine Richtung. Dann wechselten die Spiralen plötzlich gleichzeitig überall die Richtung, nur um später wieder zurückzuschalten.

Diese Mikroorganismen sind Foraminiferen, auch Forams genannt. Sie leben in allen Ozeanen, von den Tropen bis zu hohen Breitengraden und gehören zu den häufigsten eukaryotischen Organismen auf der Erde. Diese einzelligen Protisten sondern ein hartes Schalen ab, das mit vielen kleinen Löchern durchsetzt ist; die meisten Arten leben am Meeresboden, während planktonische Arten den Strömungen ausgesetzt sind. Wenn sie sterben, bedecken ihre Schalen den Meeresboden weltweit und bilden ein natürliches Archiv der Erdgeschichte, das etwa 560 Millionen Jahre zurückreicht.

Wissenschaftler nutzen angehäufte Foramschalen, um vergangene Klimazonen und Ozeanbedingungen zu rekonstruieren. Dabei analysieren sie die Zusammensetzung der Arten oder messen Isotope oder Spurenelemente. Im Laufe der Jahre haben sie ein seltsames Phänomen bemerkt. Unter den vielen planktonischen Forams mit schneckenartig gewundenen Gehäusen bevorzugen einige Arten stark eine Spiraldrehrichtung – links oder rechts – mit bis zu 97 % der Individuen gleichen sich in der Drehrichtung. Manchmal dominierte eine neue Drehrichtung auf einmal überall in den Ozeanen im Fossilbericht. Seit den 1950er Jahren, als diese Kuriosität beobachtet wurde, versuchen Wissenschaftler herauszufinden, was die Änderung der Schalenrichtung bei Billionen von Mikroorganismen gleichzeitig verursachen könnte.

Kürzlich haben Mikropaläontologen Daten zur Gehäusedrehrichtung, oder Händigkeit, mehrerer Arten aus Fallstudien zu Forams, die bis vor 56 Millionen Jahre zurückreichen, integriert und zusammengefasst. Einige Forscher spekulierten, dass die Schalenwechsel mit Temperaturänderungen oder anderen Klimafaktoren zusammenhängen. Die neue Studie hingegen hypothetisiert, dass die Schalenrichtung selbst keine Anpassungsreaktion ist, sondern ein zufälliger Marker eines bedeutenden Evolutionsereignisses, das in einer kleinen Unterpopulation beginnt und sich dann über weite Ozeanbecken ausbreitet.

„Es ist wahrscheinlich eines der ersten Male, dass Menschen, die normalerweise mehr Biostratigraphie – im Grunde Tiefzeitforschung – an Foraminiferen betreiben, sich einer solchen Frage nähern“, sagte Julie Meilland, eine Forscherin am Cerege, einem Forschungsinstitut in Frankreich, die nicht an der Studie beteiligt war. Neben Daten zur Drehrichtung mehrerer Arten über Millionen von Jahren einbezog die Studie auch Erkenntnisse aus der modernen Foram-Genetik und -Biologie. „Es war sehr erfrischend zu sehen, wie diese Welten sich verbinden, denn sehr oft verbunden Forscher der modernen Forschung nicht unbedingt mit denen der Tiefzeitforschung“, fügte Meilland hinzu.

Die Arbeit bietet eine neue Perspektive auf ein jahrzehntealtes Geheimnis und einen seltenen Einblick in einen obskuren Prozess, der es ermöglicht, dass neue Merkmale große Populationen durchdringen.

Eine verdrehte Hypothese

Das Phänomen der wechselnden Forams wurde erstmals in den frühen 1950er Jahren beschrieben, als Fortschritte in der Technik der Meeresbodenbohrungen es Forschern ermöglichte, angereicherte Schalenschichten zu analysieren. Der schweizer Mikropaläontologe Hans Bolli bemerkte erstmals, dass bei Forams mit gewundenen Gehäusen mehrere Arten eine Richtungspräferenz hatten und dass sich diese Präferenz manchmal im Laufe der Zeit änderte.

Eine Erklärung für dieses kuriose Ereignis kam von einer bahnbrechenden Studie aus dem Jahr 1959, für die der Meeresgeologe David Ericson, ein Bohrspezialist am Lamont Geological Observatory der Columbia University (jetzt Lamont-Doherty Earth Observatory), Hunderte von gewundenen Schalen der Art Neogloboquadrina pachyderma aus dem Nordatlantik durchsichtete. Ericson beobachtete, dass in kalten Klimazonen während der Eiszeiten die Schalen dazu neigten, nach links zu wickeln, während sie in wärmeren Perioden nach rechts drehten.

Er war sich nicht sicher, warum die Wickelrichtung mit dem Klima zusammenhängen könnte, aber er spekulierte, dass Temperatur der bestimmende Faktor für diese Art war. Doch als mehrere Kernbohrungen aus der ganzen Welt gewonnen wurden und sich die Genetik weiterentwickelte, hielt die Temperaturhypothese nicht stand.

Im Jahr 2006 veröffentlichte Kate Darling, jetzt Ehrenprofessorin an der University of Stirling, genetische Arbeiten, die zeigten, dass die Varianten von N. pachyderma tatsächlich zwei separate Arten sind, jede mit ihrer eigenen Wickelrichtung. Dann fand die evolutionsbiologische Paläontologin Yurika Ujiié, jetzt Professorin an der Kochi University in Japan, im Jahr 2013, dass die Gehäusehändigkeit bei verschiedenen Foram-Arten, die aus mehreren Ozeanen gesammelt wurden, nicht mit der Temperatur übereinstimmte.

Jede Studie widerlegte Ericsons Hypothese auf eine andere Weise. Außerdem war es für viele Forscher schwer sich vorzustellen, welchen Vorteil die Wickelrichtung für einen einzelligen Organismus ohne offensichtliche Händigkeit bieten könnte. Ein halbes Jahrhundert nach Ericsons erster Beobachtung wurde die Triebkraft hinter den Wechseln wieder zu einem Geheimnis.

Es dauerte nicht lange, bis ein weiteres Forscherinteresse geweckt wurde. Bridget Wade, eine Mikropaläontologin am University College London, hatte ...