Projektgruppen

TÄTIGKEITSSCHWERPUNKT 6: EVOLUTION UND KLIMA

Beteiligte Projektleiter:
BiK-F:
T. Hickler, A. Janke, J. Liakka, A. Mulch, E. Niedermeyer, S. Pauls, J. Schnitzler. — GU: I. Ebersberger, J. Fiebig, J. O. Herrle, W. Oschmann, J. Pross. — SGN: A. Freiwald (Wilhelmshaven), F. Schrenk, G. Zizka (Frankfurt).

Im Jahr 2012 betonte der National Research Council der US National Academy of Sciences, dass die Frage nach den Wechselwirkungen zwischen Klima, Erdoberflächenprozessen und den geodynamischen Prozessen unseres Planeten sowie ihre Beziehung zur Evolution des Lebens eine der Zukunftsherausforderungen der Geowissenschaften im 21. Jahrhundert darstellt (NRC, 2012). Mit der Grundidee "Aus der Vergangenheit lernen, um die Zukunft zu gestalten" nimmt TSP 6 Evolution und Klima diese Herausforderung auf und erarbeitet, wie Erdoberflächenprozesse mit Klima, Biodiversität und letztlich der Evolution des Genoms auf geologischen Zeitskalen interagieren. TSP 6 integriert geowissenschaftliche und genetisch/genomische Ansätze der Projektbereiche A und D mit Fokus auf langen Zeitskalen. Die Expertise dieses interdisziplinären TSP reicht von Genomik und Next Generation Sequencing über die Evolution der Säugetiere bis zur Isotopengeochemie und der Rekonstruktion von Klima und Erdoberflächenprozessen. Unser wichtigstes Ziel ist das Verständnis der „co-evolution of landscapes and life“, also der wechselseitigen Beeinflussung biotischer und abiotischer Prozesse in der langfristigen Entwicklung (102-106 Jahre) des Systems Erde und ihrer dynamischen (Paläo-)Umweltbedingungen.
Mittels isotopen(bio-)geochemischer Methoden studiert TSP 6 dabei die zum einen die direkten Wechselwirkungen von Klima und Erdoberflächenprozessen und konzentriert sich in einem nächsten Schritt auf die Rekonstruktion von langfristigen evolutionären Prozessen und Erdoberflächen-dynamik (Hoorn et al. 2013). Ein Fokus liegt dabei auf proxy-basierten (Paläo-)Temperatur- und Niederschlagsrekonstruktionen und den damit einhergehenden Biodiversitätsänderungen. Komplementär dazu untersucht TSP 6 mittels genetischer und genomischer Ansätze langzeitskalige makroevolutionäre Prozesse mit besonderem Augenmerk auf Anpassungsphänomenen, Artbildung und Artbildungsraten als Reaktion auf Umweltveränderungen. Besonderes Augenmerk liegt auf den globalen Klimaänderungen der vergangenen 25-40 Millionen Jahre (Ma), die in den letzten 2,6 Ma in den spektakulären Eiszeiten des Quartärs gipfelten. Langfristige Schwankungen des globalen Klimas kontrollierten die Entwicklung der kontinentalen Biome und Lebensräume, gestalteten die heutigen Umweltbedingungen und bilden damit die Grundlage für heutige Biodiversität auf regionalem und kontinentalem Maßstab. TSP 6 arbeitet eng mit mit TSP 7 im Bereich der Paläoklima- und Vegetationsmodellierung zusammen und entwickelt gemeinsam mit TSP 8 Expertise in Bioinformatik, parallelen Sequenzierungstechnologien und Nischen-Modellierung. Das Arbeitsprogramm gliedert sich anhand von drei Leitfragen:
1. Wie können Wechselwirkungen zwischen Klima-, Ökosystem- und Erdoberflächen-Prozessen aus geologischen Daten entschlüsselt werden?
Im Klimasystem existieren multiple Rückkopplungen zwischen Erdoberflächenprozessen, globalem hydrologischen Kreislauf und Atmosphärenzirkulation. Diese über (isotopen-)biogeochemische Methoden zu rekonstruieren ist ein entscheidender Schritt in der Interpretation von Paläoklimadaten und ein Fokus unserer Forschung.

2. Welche Auswirkungen hat langfristiger Klima- und Landschaftswandel auf die Makroevo-lution und wie kann diese durch Phylogenetik, Genomik und Proxy-Daten rekonstruiert werden?
Sich dynamisch entwickelnde Landschaften bieten verändernde Nischen und können als "Artbildungszentren" innerhalb der Kontinente dienen. Die Rekonstruktion von (langzeitskaliger) Landschaftsentwicklung und datierten phylogenetischen Bäumen sind ist ein vielversprechender Forschungsansatz, zur Integration von Geologie und Biologie im Verständnis des Erdsystems. In rasch zunehmendemn Umfang stehen uns Genom-Daten zur Verfügung, mit denen evolutionäre Prozesse, Phylogenien und Artaufspaltungszeiten mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmt werden können. Mit diesem neuen genomischen Wissen, wie z.B.z. B. über die Insertionsmuster von mobilen genetischen Elementen möchten wir Rekonstruktionen beschreiten, die von herkömmlichen Sequenzanalysen unabhängig sind, um aus molekularen und paläontologischen Daten turn over-Raten von Arten zu rekonstruieren:

3. Wie beeinflussen räumliche und zeitliche Klimaänderungen die Vielfalt der Ökosysteme, Arten und letztlich Genome über Zeitskalen von 100 - 100.000 Jahren?
Hochauflösende Klima- und Biodiversitätsarchive erlauben einen Einblick in die Prozesse und Mechanismen des Klimawandels. Wir möchten diese Archive komplementär zu phylogenetischen Rekonstruktionen evolutionärer Prozesse einsetzen. Der Tenaghi Philippon-Bohrkern umfasst die letzten 1,2 Millionen Jahre zur Pollenanalyse und isotopengeochemischen Analyse in hoher zeitlicher Auflösung. Er ist daher ein komplementäres Klimaarchiv zu den Eisbohrkerndaten Grönlands und somit wichtiges Korrelationselement genomischer und genetischer Anpassung in den höheren und mittleren Breiten der Nordhemisphäre.