Veranderingen in mariene biomassa in de afgelopen 500 miljoen jaar

In een baanbrekend onderzoek hebben onderzoekers van Stanford gemeten hoe de overvloed aan oceaanleven in de afgelopen 500 miljoen jaar is veranderd.

Uit de studie blijkt dat de totale massa van mariene organismen over het algemeen is toegenomen in de afgelopen 500 miljoen jaar, hoewel er tegenslagen waren na grote uitstervingsgebeurtenissen. De bevindingen komen overeen met bewijs voor een vergelijkbare stijging in mariene biodiversiteit—de totale variëteit aan organismen—over de afgelopen halve eon, wat wijst op een evolutionaire verbinding tussen biomassa en biodiversiteit. Het onderzoek is gepubliceerd in Current Biology.

“Het begrijpen van de hoeveelheid biomassa is belangrijk, omdat het belangrijke kenmerken van een ecosysteem vertegenwoordigt die niet worden vastgelegd door het aantal soorten of zelfs het aantal niches die ze vullen,” zei hoofdonderzoeker Pulkit Singh, een postdoctoraal onderzoeker in de Aard- en Planeetwetenschappen aan de Stanford Doerr School of Sustainability. “Maar naarmate we verder terugkijken in de tijd, zijn onze metingen van biomassa zeer beperkt, dus dat was de grote leemte in de biologische geschiedenis die we met onze studie wilden vullen.”

De resultaten zijn voortgekomen uit een diepgaande compilatie en beoordeling van gegevens van duizenden rotsmonsters die skeletresten bevatten, die in de oceaan voornamelijk bestaan uit schelpen van dieren, bepaalde soorten algen en eencellige organismen genaamd protisten. Fossielen met skeletresten registreerden de hoeveelheid biomassa—het materiaal dat wordt samengesteld en geproduceerd door levende dingen—die bewaard is gebleven over verschillende geologische intervallen.

Biomassa onthult de productiviteit van een ecosysteem, wat aangeeft hoeveel energie (voedsel) aanwezig is en de hoeveelheid organismen die een systeem kan ondersteunen. Productiviteit spreekt op zijn beurt weer over de gezondheid van het ecosysteem en, in het bredere geheel, over de gezondheid van de planeet.

Onderzoekers hebben zich lange tijd afgehouden van het proberen te meten van biomassa, gezien de enorme inspanning die nodig is om relevante gegevens te verzamelen en de mogelijkheid dat de gegevens niet voldoende zouden zijn om betekenisvolle patronen te onthullen. Singh nam de uitdaging aan en wijdde meerdere jaren aan het compileren van gegevens die gedurende tientallen jaren zijn gepubliceerd, evenals het toevoegen van nieuwe gegevens uit zijn eigen monsters.

“De eerste kwantitatieve poging om biodiversiteit over geologische tijd vast te leggen, werd in 1860 gedaan, maar tot Pulkit’s artikel is er nooit een overeenkomend onderzoek naar biomassa door de tijd geweest,” zei senior auteur Jonathan Payne, de Dorrell William Kirby Professor van Aard- en Planeetwetenschappen aan Stanford. “Ik ben onder de indruk van zijn intellectuele moed om een kans te wagen op een project als dit.”

Onderzoek naar het verleden

Voor de studie overwogen Singh en zijn collega’s meer dan 7.700 mariene kalkste monsters van over de hele wereld, die de afgelopen 540 miljoen jaar zijn gedocumenteerd in meer dan 100 wetenschappelijke studies. Het onderzoeksteam maakte gebruik van gegevens die zijn verzameld via een standaardmethode die bekend staat als petrographische puntentelling om het percentage van elk monster dat skeletresten bevatte, te beoordelen.

De tijdrovende techniek houdt in dat rotsen zeer dun worden gesneden en gepolijst zodat het licht erdoorheen kan schijnen, waarna de dunne secties van de rotsmonsters onder een microscoop worden onderzocht om hun samenstelling te kwantificeren.

Tijdens het Cambrium, de vroegste periode die ongeveer 540 miljoen jaar geleden begon, ontdekten onderzoekers dat gemiddeld minder dan 10% van de rotsen uit schelpmateriaal bestond. Naarmate het Cambrium overging in de Ordovicium-periode ongeveer 485 miljoen jaar geleden, steeg dit percentage, deels als gevolg van de “Cambrium-explosie,” toen het leven op aarde dramatisch in diversiteit en complexiteit toenam.

Calcifiërende sponzen waren aanvankelijk opmerkelijke bijdragers aan de biomassa, maar werden later ingehaald door nieuw geëvolueerde stekelhuidigen—waaronder voorouders van de moderne zeesterren—en mariene geleedpotigen, waaronder uitgestorven trilobieten en voorouders van krabben.

Gedurende het grootste deel van de volgende 230 miljoen jaar steeg het schelpprofiel tot ruim boven de 20%, met een significante afname tijdens een van de “Grote Vijf” massale uitstervingen in het late Devoon, ongeveer 375 tot 360 miljoen jaar geleden. De grootste daling in de geschiedenis van het leven vond ongeveer 250 miljoen jaar geleden plaats tijdens de “Grote Dood,” de Perm-Trias-uitsterving, toen het percentage schelpen tot ongeveer 3% daalde.

Herstel van het leven

Het leven herstelde zich, en afgezien van daaropvolgende significante massale uitstervingen—de uitsterving aan het einde van het Trias ongeveer 200 miljoen jaar geleden en de Krijt-Paleogeen-uitsterving ongeveer 66 miljoen jaar geleden, die berucht de niet-vogelachtige dinosauriërs uitroeide—is de biomassa in onze huidige geologische tijdperk, het Cenozoïcum, enorm gestegen, met schelpen die meer dan 40% van het rotsvolume uitmaken, deels dankzij aanzienlijke bijdragen van weekdieren en koralen.

“Het algemene patroon dat we konden vastleggen, is dat het een geleidelijke toename is,” zei Singh.

Een van de grootste uitdagingen bij het uitvoeren van de studie was vaststellen of de toenemende schelpinhoud in rotsen werkelijk een stijging in biologische overvloed door de tijd heen aangaf, of dat andere ecologische factoren, zoals een afname van schelpkauwen en -verwoestende roofdieren, of methodologische monsterbias achter het patroon zaten.

Om hun resultaten te verifiëren, voerden de onderzoekers een reeks rigoureuze tests uit. Ze sorteerden monsters op basis van het depositional milieu van ondiep of diep water, rekening houdend met hoe schelpresten vaker accumuleren in beter bevolkte ondiepe wateren. De onderzoekers sorteerden ook monsters op verschillende breedtegraden en locaties en vormen van de voorouders van de huidige continenten. Door dit alles heen bleef het signaal sterk consistent over waterdiepten, breedtegraden en geologische settings.

“Hoe meer tests we deden en hoe meer we onze dataset verdeelden, hoe duidelijker we beseften dat deze grote biologische patronen die we zagen in de tijd bleven bestaan,” zei Singh.

Veranderende levensomstandigheden

Wat betreft de reden waarom marien leven over het algemeen is toegenomen, wijzen aanwijzingen op parallelle trends in grotere diversiteit. Met mariene organismen die meer gespecialiseerd en variabel in hun specialisaties worden, kan er meer energie uit beschikbare voedingsstoffen en voedselbronnen worden gehaald. Deze verbeterde voedingsstofrecycling begint bij de autotrofen, zoals fytoplankton, die fotosynthetisch “voeden” op zonlicht en eindigt bij decomposers die voedingsstoffen terugbrengen naar het milieu die autotrofen opnemen.

“Het algemene idee is dat er meer voedsel beschikbaar is in ecosystemen en, daardoor, de ecosystemen meer leven kunnen ondersteunen, er meer energie beschikbaar is, en dat leidt tot een grotere overvloed die zich uitdrukt in biomassa,” zei Singh.

Of de overvloed die in de afgelopen honderden miljoenen jaren is waargenomen zal aanhouden, is twijfelachtig, gezien de gevolgen van menselijke activiteiten. Hoewel mensen in een korte tijdspanne in de geologische tijd, zoals kunstmestafvoer, overbevissing, verzuring van de oceanen en meer hebben veroorzaakt, hebben wetenschappers een voortdurende, door mensen veroorzaakte zesde massale uitsterving breed gedocumenteerd.

Accumulerende verliezen in biodiversiteit kunnen biomassa potentieel verminderen, en omgekeerd—een signaal dat mogelijk kan worden vastgelegd in het fossielenrecord dat momenteel wordt gelegd. “Vanuit het perspectief van onze studie zijn de moderne tijden behoorlijk gecompliceerd gezien de omvang van menselijke activiteiten die de omstandigheden op wereldschaal, inclusief de oceanen, snel veranderen,” zei Payne, die ook een senior fellow is aan het Stanford Woods Institute for the Environment. “Maar onze bevindingen tonen aan dat de algehele biomassa verband houdt met biodiversiteit en dat verliezen in biodiversiteit de productiviteit gedurende geologisch significante intervallen kunnen onderdrukken, wat nog een argument toevoegt waarom het behouden van biodiversiteit essentieel is voor de gezondheid van de mens en onze planeet.”