Evolution des Systems Erde: Geobiologische und paläobiologische Prozesse als Antrieb

Die aktuellen Probleme unseres Planeten betreffen die Biosphäre und ihre komplexen Wechselwirkungen mit Atmosphäre, Ozean und Lithosphäre. Die geowissenschaftlich orientierte Erforschung der Biosphäre ist deshalb ein zentrales Anliegen der Gesellschaft im 21. Jahrhundert. Dem Rechnung zu tragen ist Ziel des vorliegenden Status- und Diskussionspapieres:

Die Entwicklung und der Fortbestand des Lebens ist Kennzeichen des Planeten Erde vor allen anderen bekannten Planeten. Die besondere Bedeutung der Biosphäre ergibt sich in zweifacher Hinsicht. So ist der Mensch selbst Bestandteil der Biosphäre und lebt von ihr. Zusätzlich rückte im Verlauf des letzten Jahrzehnts das Verständnis der Biosphäre als der entscheidenden Schaltstelle bei der globalen Steuerung nahezu aller oberflächennahen Prozesse und Stoffkreisläufe in den Mittelpunkt unseres Verständnisses (Abb. 1). Die frühe Biosphäre bewirkte einerseits die dynamischen Veränderungen im System Erde und stellte auf diese Weise unsere heutigen Lebensgrundlagen bereit, wie z.B. durch die Bildung von freiem Sauerstoff seit etwa 2,6 Milliarden Jahren (Abb. 2). Andererseits wirkte die Biosphäre als Stabilitätsfaktor über rund 4 Milliarden Jahre hinweg, und ermöglichte den Verbleib der Erde im "vitalen Fenster" unseres Sonnensystems. Auch unsere Nachbarplaneten Mars und Venus waren zeitweilig im "vitalen Fenster", konnten sich dort aber nicht dauerhaft behaupten (siehe Titelseite).
Abb. 1. Schematische Darstellung der paläobiologischen und geobiologischen Vernetzungen und Rückkopplungen im System Erde.
 
 
Durch die verschiedenen Aktivitäten des Menschen ist die Biosphäre inzwischen extrem verändert. Es existieren heute nirgendwo auf der Welt noch wirklich naturbelassene Verhältnisse. Überall, selbst in den entferntesten Gebieten, sind "Spuren" des Menschen in Form von veränderten physikalischen, chemischen oder biologischen Rahmenbedingungen nachweisbar. Die Entwicklung nachhaltiger Nutzungskonzepte der Ressourcen unseres Planeten sind ein erstes Indiz dafür, daß die entscheidende Rolle der Biosphäre innerhalb des Systems Erde erkannt wird. Die Bedeutung der anthropogenen Veränderungen, die in zahlreichen Beispielen erörtert werden, kann nur aus der Kenntnis der natürlichen Variationen, durch die Untersuchung nicht vom Menschen beeinflußter Ökosysteme, abgeleitet werden. Diese Situation ist nur noch fossil anzutreffen.
Abb. 2. Synoptische Darstellung der evolutiven Abläufe auf dem Planeten Erde im Verlauf von 4,5 Milliarden Jahren.

 
 
Gegenwärtig besitzen wir kaum präzises Wissen über die mittel- und langfristigen Konsequenzen dieser Veränderungen. Nach wie vor ist es unmöglich, die Folgen der Biodiversitätsreduktion, der Veränderung der Struktur und Verbreitung von Ökosystemen oder des anthropogenen Treibhauseffektes quantitativ in Raum und Zeit vorherzusagen. Ein quantitatives Verständnis ist aber unerläßlich, weil gerade in komplexen natürlichen Systemen Ursache und Wirkung in der Regel nicht-linear verknüpft sind. Es zeigt sich, daß wir die Prozeßkopplungen der Organismen mit den übrigen Komponenten des Systems Erde nur ungenügend verstehen. Dabei sind insbesondere die mittel- und langfristigen Prozesse schlecht untersucht. Sie laufen auf Zeitskalen von 10-1.000 auf der Organismusebene bzw. von 10.000-1.000.000 Jahre auf der Evolutionsebene ab und sind für viele Biosphärenprozesse typisch. Wie kann diese Situation verbessert werden?

Angesichts der kontrovers geführten Diskussion über die anthropogenen Veränderungen bzw. die natürliche Variation muß der Rolle der Biosphäre und ihrer Geschichte in der Grundlagenforschung und in der Umweltsystemforschung mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden. Der Forschungsansatz muß dabei verstärkt geowissenschaftlich ausgerichtet werden. Diese geowissenschaftlich orientierte Erforschung der Biosphäre verfolgt dabei gleichermaßen paläobiologische und geobiologische Aspekte bzw. Prozesse. Die Paläobiologie ist Organismus-zentriert und untersucht die Entfaltung der Lebewesen und der Lebensgemeinschaften sowie die Biodiversität unter einem Systemaspekt. So werden die Grundlagen geschaffen, um die anthropogenen Eingriffe in ihrer Auswirkung für die Biosphäre selbst zu verstehen und zu bewerten. Die Geobiologie analysiert dagegen die Wirkungen biologischer Prozesse auf die unterschiedlichen Komponenten des Systems Erde in allen Zeit- und Raumskalen. Sie ermöglicht daher ein ganzheitliches Verständnis der Prozeßabläufe unseres Planeten einschließlich der anthropogenen Eingriffe. Beide zusammen bilden die heutige Paläontologie und damit einen integralen Bestandteil der Umweltforschung. Paläobiologie und Geobiologie verfügen mit dieser Betrachtungsweise über ein Instrument, die Entwicklungsgeschichte des Lebens und damit des gesamtem Planeten zu rekonstruieren und zu bewerten.

Drei Leitlinien bestimmen die neue Forschungsausrichtung:

Paläontologie - eine vernetzte Wissenschaft