Was ist mit Lithium?
Die Verwitterung der Gesteine der Erdkruste, bei denen es sich hauptsächlich um Silikate wie Granit handelt, ist ein langsames, aber sehr wichtiges Phänomen für die Abschwächung des Erdklimas. Bei der Auslaugung von Silikaten durch Regen und Wind wird nämlich eine große Menge an CO2 gebunden, und da CO2 das wichtigste Treibhausgas ist, beeinflusst dieser Prozess das globale Klima erheblich. Daher ist es interessant, die Schwankungen der Silikatverwitterung im Laufe der Erdgeschichte zu kennen, um vergangene Klimata besser rekonstruieren zu können.
Hier kommt das Lithium ins Spiel.
Lithium ist ein kleines chemisches Element, das in Silikaten enthalten ist und dessen Isotopenverhältnis (siehe Kasten) sich während der Verwitterung von Gesteinen ändert. So erhöht die Verwitterung von Gesteinen die Menge an 6Li im Wasser der Flüsse, die dann ins Meer fließen und das Isotopenverhältnis von Lithium in den Ozeanen verändern. Wenn man das Isotopenverhältnis von Lithium im Wasser von Meer kann man daraus
ableiten, ob die Verwitterung des vorgelagerten Landgesteins intensiv oder wenig intensiv war, und somit, ob viel CO2 gebunden wurde oder nicht.
Foraminiferen sind ein Archiv.
Aber wenn es einfach ist, Lithium im heutigen Meerwasser zu analysieren, wie kann man es dann im Meerwasser von vor 20.000 Jahren messen? Die beste Möglichkeit ist, auf die natürlichen Archive zurückzugreifen, die fossile Organismen darstellen, wie zum Beispiel fossile Foraminiferen. Wenn Foraminiferen ihre Schalen aufbauen, schließen sie zufällig chemische Elemente ein, die im Meerwasser enthalten sind - wie z. B. Lithium. Man kann also die Isotopenverhältnisse in den Schalen von 20.000 Jahre alten Foraminiferen messen, um herauszufinden, welche Isotopenverhältnisse das Meerwasser zu dieser Zeit hatte.
Was ist ein Isotop?
Ein chemisches Element hat oft zwei stabile Zustände, d. h. zwei Versionen, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben.
Bei Lithium gibt es das 7Li und das 6Li. 7Li kommt von Natur aus häufiger vor als 6Li. Das Verhältnis von 7Li zu 6Li wird als "Lithium-Isotopenverhältnis" bezeichnet.
Die einzige Bedingung, um Lithium in der Schale von Foraminiferen als Marker für das Meerwasser verwenden zu können, ist, dass während des Einbaus von Lithium in die Schale keine biologische Wirkung auftritt. Lithium wird jedoch bei keinem bekannten physiologischen Prozess verwendet, weder bei der Atmung noch bei der Ernährung usw. Die Wahrscheinlichkeiten sind daher sehr gering. Es ist jedoch besser, sicher zu sein und es zu testen.
Kulturversuche.
Ich habe Kulturexperimente mit benthischen Foraminiferen durchgeführt, um zu testen, ob Schwankungen des pH-Werts oder der Menge des gelösten Kohlenstoffs im Wasser einen Einfluss auf das Lithium-Isotopenverhältnis in der Schale haben. Wie erwartet, wurde keine Auswirkung beobachtet. Außerdem haben frühere Studien gezeigt, dass auch die Temperatur keinen Einfluss auf den Lithiumeinbau in die Schale der Foraminiferen hat.
Wir können also das Lithium-Isotopenverhältnis in der Schale von Foraminiferen als Marker für das Verhältnis zum Meerwasser betrachten und diese Daten nutzen, um die Silikatverwitterungsbedingungen in der Vergangenheit sowie die damit verbundenen Klimazonen zu rekonstruieren.
Artikel, der im Januar 2023 in der Zeitung Minerals (auf Englisch)
Am Fuße des Vulkans
Nishinoshima ist ein unterseeischer Vulkan vor der Küste Tokios, etwa 1000 km südlich des japanischen Festlandes. Ein kleiner Teil des Vulkans ist aufgetaucht: die Insel Nishinoshima. Der Vulkan schlief 40 Jahre lang, bis er im November 2013 plötzlich wieder erwachte. Seitdem ist er immer noch aktiv, mit regelmäßigen Lavaströmen sowie Gas- und Ascheexplosionen.
Aus Gründen der Zugänglichkeit und der Sicherheit ist es schwierig, die in der Nähe von Vulkanen lebenden Tiere zu untersuchen, vor allem wenn sie unter Wasser leben. Zufällig erhielt ich nach einer Beobachtungsmission, die 2015 von einem Vulkanologen-Team durchgeführt wurde, Sedimente aus der Umgebung von Nishinoshima. Unter den Andesit- und Dazitkörnern, also den Fragmenten vulkanischen Gesteins, entdeckte ich Foraminiferen! Dann habe ich sie sortiert und identifiziert. Es ist tatsächlich das erste Mal, dass benthische Faunen in dieser Region untersucht werden. Obwohl die Anzahl der Exemplare gering war, waren die Foraminiferen, die ich beobachtete, durch ihre Artenvielfalt verblüffend.
Diese vorläufigen Ergebnisse tragen dazu bei, dass wir besser verstehen, wie dynamische Umgebungen wie Vulkane funktionieren und welche Faunen dort vorkommen. Die gesammelten Daten werden als Wissensgrundlage beispielsweise für eine künftige groß angelegte Studie rund um Nishinoshima dienen.
Artikel, der im Mai 2023 in der Zeitung Paleontological Research (auf Englisch)
Regelmäßige Berichte über die Aktivitäten von Nishinoshima auf Global Volcanism Program (auf Englisch)