Chemische und strukturelle Variationen von Muschelschalen auf der Mikrometer-Scala – Sclerochronologie auf die nächste Stufe bringen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd R. Schöne
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Physik, Chemie und Biologie des Meeres
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415854995

Muscheln bieten herausragendes Potential für die Paläoklimaforschung. Sie bewohnen fast alle aquatischen Lebensräume weltweit, kommen fossil zahlreich vor und leben wenige Monate bis etliche Jahrhunderte. Bedeutsamer ist aber, daß ihre Schalen periodisch wachsen und Umweltänderungen zeitlich geordnet aufzeichnen. Jedoch stellt die Rekonstruktion dieser Umweltsignale nach wie vor eine sehr hohe Herausforderung dar, weil es nur wenige verläßliche und allgemein anerkannte Proxies gibt. In vielen anderen Organismen speichern Spurenelemente (TME) Umweltdaten. Aber in Muscheln ist deren Interpretation extrem schwierig, weil Aufnahme, Transport und Einbau der TME in die Schalen unter starker biologischer Kontrolle steht (Vitaleffekte), welche Umweltsignale überdeckt. Durch starke Kontrolle der TME realisiert die Muschel die außergewöhnlichen Materialeigenschaften der Schale - eines der härtesten natürlichen Materialien - und gewährleistet, daß die einzelnen Biomineraleinheiten - Nanokomposite aus Kalziumkarbonat und organischen Makromolekülen - eine ganz bestimmte Größe (nm, µm), Form und Ausrichtung haben und in komplexer Weise arrangiert sind (Mikrostrukturen).Vitaleffekte bilden sich aber in der Mikrostruktur und in Kovariationen von TME ab. Letzteres deutet auf gemeinsame biologische Fraktionierungsprozesse hin. In Teilprojekt 1 (U Tokio) werden wir TME-Regressionskurven berechnen und die Kovariationen analysieren/interpretieren. Ziel es ist, TME-Korrelationen mathematisch zu entfernen, um Umweltsignale zu isolieren, ohne die Fraktionierungsmechanismen zu kennen. Die Konzentration vieler TME ist außerdem stark an die Schalen-Mikrostruktur gekoppelt, die wiederum durch Biomineralisationsprozesse gesteuert ist und das Resultat vieler TME-Fraktionierungsprozesse darstellt. Einige Mikrostrukturtypen enthalten höhere, andere geringe Konzentrationen bestimmter TME. Hinzu kommt, daß die Architektur der Schalen auf µm-Skala stark variiert, was kleinräumige chemische Heterogenität zur Folge hat. Zeitgleich gebildete Schalenabschnitte weichen deshalb chemisch stark voneinander ab, wenn Unterschiede in der Mikrostruktur vorliegen. Um die umweltbedingten Variationen der TME zu isolieren, werden wir in Teilprojekt 2 (U Mainz) TME und Mikrostruktur systematisch kartieren. Anschließend werden die typischen TME-Gehalte in verschiedenen Mikrostrukturen parametrisiert, um nicht-umweltbedingte Einflüsse aus TME-Daten zu eliminieren. Schließlich werden wir gemeinsam ein multidimensionales numerisches Modell erstellen, das die TME-Verteilung, Mikrostruktur und Umweltparameter integriert.Mit der Möglichkeit, TME von Muschelschalen paläoklimatisch zu verwerten, würde die Muschel-Sclerochronologie einen großen Schritt vorwärts machen und die Paläoklimaforschung weiter voranbringen. Vorgeschlagene innovative Methoden, die sich gegenseitig ergänzende Expertise der Antragsteller und analytische Infrastruktur an beiden Institutionen können diese Vision real werden lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Partnerorganisation: Japan Society for the Promotion of Science (JSPS)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Kotaro Shirai