Ein innerer Kompass für Meereslebewesen im Paläozän

Vor Jahrmillionen produzierten einige Meeresorganismen mysteriöse Magnetpartikel von ungewöhnlicher Größe, die heute als Fossilien in Sedimenten zu finden sind. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, die magnetischen Domänen auf einem dieser „Riesenmagnetfossilien” mit einer raffinierten Methode an der Diamond-Röntgenquelle zu kartieren. Ihre Analyse zeigt, dass diese Partikel es den Organismen ermöglicht haben könnten, winzige Schwankungen sowohl in der Richtung als auch in der Intensität des Erdmagnetfelds wahrzunehmen. Dadurch konnten sie sich verorten und über den Ozean navigieren. Die neue Methode eignet sich auch, um zu testen, ob bestimmte Eisenoxidpartikel in Marsproben tatsächlich biogenen Ursprungs sind.

Vor einigen Jahren wurden mysteriöse Magnetitpartikel in Meeressedimenten entdeckt. Diese Partikel waren außergewöhnlich groß – etwa 10- bis 20-mal größer als die herkömmlichen Magnetit-Magnetofossilien, die von magnetotaktischen Bakterien zum Zweck der passiven Orientierung im Erdmagnetfeld gebildet werden. Riesige Magnetofossilien kommen in einer großen Formenvielfalt vor, darunter Nadeln, Spindeln, Kugeln und Speerspitzen. Bis heute ist unbekannt, welche Organismen diese gigantischen Magnetitpartikel gebildet haben und wofür sie verwendet wurden. Obwohl einige dieser großen Magnetfossilien in ihrer Form herkömmlichen Magnetfossilien ähneln, ging man aufgrund ihrer ungewöhnlichen Größe davon aus, dass sie für den Zweck der magnetischen Ausrichtung allein schlecht geeignet seien. Stattdessen wurde vermutet, dass einige Lebewesen solche recht harten Magnetitpartikel in erster Linie als Schutzschild gegen Raubtiere nutzten, sodass ihre magnetischen Eigenschaften keine große Rolle spielten. Allerdings sind nicht alle Forschenden von dieser Hypothese überzeugt.

Ein Kompass für Meereslebewesen?

Sergio Valencia, Physiker am HZB, und der Paläomagnetismusforscher Richard J. Harrison von der Universität Cambridge, Großbritannien, haben nun eine alternative Hypothese untersucht. Sie vermuten, dass Lebewesen tatsächlich die magnetischen Eigenschaften dieser Partikel nutzten, um sich mithilfe des Erdmagnetfelds zu orientieren, indem sie kleine Schwankungen in Intensität und Richtung des Feldes wahrnahmen. Um diese Idee zu überprüfen, mussten sie die dreidimensionale magnetische Struktur der Magnetfossilien kartieren. Dies ermöglichte es, die magnetische Energie und die damit verbundenen Kräfte auf das Partikel im lokalen Erdmagnetfeld abzuschätzen.

Zerstörungsfreie Untersuchung 

Harrison und Valencia untersuchten ein Partikel in Form einer Speerspitze mit einem Durchmesser von 1,1 µm und einer Länge von 2,25 µm. Es stammte aus dem Team von Liao Chang, Universität Peking, und wurde in einem etwa 56 Millionen Jahre alten Sediment im Nordatlantik gefunden. Eine große Herausforderung bestand darin, die innere magnetische Struktur dieser recht dicken Probe zu untersuchen, ohne sie zu zerschneiden und zu zerstören, da dies die ursprüngliche magnetische Domänenstruktur verändert hätte. Dies gelang ihnen an der Röntgenquelle Diamond in Oxford, Großbritannien, mit einer neu entwickelten Technik von Claire Donnelly am Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden: Mit der so genannten "pre-edge phase X-ray magnetic circular dichroism (XMCD)" Ptychographie konnten sie die magnetische Domänenstruktur im gesamten Volumen der Probe sichtbar machen. „Dies war eine wirklich internationale Zusammenarbeit mit Expertinnen und Experten aus ganz verschiedenen Bereichen. Zusammen haben wir es geschafft, die mögliche Funktion dieser Magnetfossilien aufzuklären“, sagt Sergio Valencia, der die Zusammenarbeit initiiert und koordiniert hat.

Magnetischer Wirbel entdeckt

Dem Team gelang es, das gesamte Probenvolumen dreidimensional und mit hoher Auflösung abzubilden. „Mit Hilfe der magnetischen Vektortomographie konnten alle drei Komponenten der Magnetisierung rekonstruiert und im gesamten Volumen der Probe mit einer Auflösung von wenigen 10 Nanometern räumlich aufgelöst werden“, sagt Valencia und betont: „Wenn wir die neue Nachfolgequelle BESSY III in Betrieb genommen haben, könnten wir solche Messungen auch in Berlin durchführen.“

Die Ergebnisse zeigen, dass das Magnetitpartikel einen magnetischen Wirbel enthält, der mit starken Kräften auf räumliche Schwankungen des Erdmagnetfeldes reagiert. Damit könnte dieses Partikel einem Organismus die Möglichkeit bieten, die Intensität des Erdmagnetfeldes wahrzunehmen und darauf zu reagieren.

„Meeresorganismen, zum Beispiel Fische, haben diese Eigenschaft möglicherweise für die magnetische Navigation genutzt“, sagt Harrison. Auch wenn sich die hier untersuchten Partikel ursprünglich als Schutzpanzer entwickelt haben könnten, wäre es durchaus möglich, dass ihre Nachkommen im Laufe der Evolution diese Partikel auch als Navigationsinstrument genutzt haben.

Die Navigation im Erdmagnetfeld ist heute ein weit verbreitetes Phänomen bei Weichtieren, Amphibien, Fischen, Reptilien, Vögeln und Säugetieren. Vielleicht fand sie vor langer Zeit Zeit ihren Anfang: Riesige Magnetfossilien wurden in bis zu 97 Millionen Jahre alten Sedimenten gefunden.

Ausblick: Partikel vom Mars 

„Auf dem Marsmeteoriten ALH84001 entdeckte man Eisenoxidpartikel, die denen ähneln, die manche Bakterien auf der Erde bilden. Die biologische Herkunft der Mars-Eisenoxidpartikel ist allerdings stark umstritten. Nun verfügen wir über eine Methode, um alle neu gefundenen potenziellen Magnetfossilien zu untersuchen und Beweise für oder gegen ihren biologischen Ursprung zu liefern“, sagt Richard Harrison. „Es wäre sehr spannend, diese experimentelle Technik zur Bewertung der morphologischen und magnetischen Fingerabdrücke dieser Eisenoxidpartikel einzusetzen. Dies könnte bei der Suche nach Spuren früheren Lebens helfen“, sagt Valencia.