Band 81:
Mörchen, R.C. (2021): Soils of the Atacama Desert: Reservoir and fingerprint of life. 209 S., 15,- €
Kurzfassung Band 81
Mörchen, R.C. (2021): Soils of the Atacama Desert: Reservoir and fingerprint of life. 209 S.
Kurzfassung
Böden erhalten die Geschichte einer Landschaft und können Fingerabdrücke vergangenen Lebens begraben. Dies gilt insbesondere für hyperaride Gebiete wie die Atacama Wüste, wo extreme und lang-anhaltende Trockenheit die Erhaltung organischer Lebensrückstände ermöglichte. Bis jetzt ist jedoch nur wenig über die Wege und Zeitskalen bekannt, in denen das Leben in einem so außergewöhnlich rauen Lebensraum gedeihen konnte. Dementsprechend zielte ich mit dieser Arbeit darauf ab, i) organische Rückstände entlang potentieller Ausbreitungskorridore und in Bodenprofilen sowohl zu identifizieren als auch quantifizieren; ii) den Ursprung der organischen Substanz mit potentiellen Quellen und Umweltschwankungen in der Vergangenheit in Beziehung zu setzen; und iii) zu untersuchen, über welche Zeitskalen es möglich ist organische Rückstände innerhalb der Wüste nachzuweisen. Um diese Ziele zu erreichen, beprobte ich vier west-östlich ausgerichtete Transekte mit zunehmendem Abstand zur Küste, die die Atacama Wüste von Norden nach Süden überspannten. Mit einem verschachtelten Beprobungs-Design wurde die Heterogenität des Oberbodens an jeder Beprobungsstelle untersucht (n≤18). Ausgewählte Bodenprofile wurden bis in eine Tiefe von 0,6-2,0 m gegraben und ein 51,7 m langer Bohrkern wurde aus einer Tonpfanne eines endorheischen Beckens im hyperariden Zentrum der Wüste entnommen, um die angefallene organische Substanz mit schlüssigen Paläo-Umwelt-Rekonstruktionen in Beziehung zu setzen.
Während die Konzentrationen des organischen Kohlenstoffs im Boden für jede Probe durch temperaturabhängige Differenzierung des Gesamtkohlenstoffs bestimmt wurde, wurden die n-Alkan Muster für Pflanzen, Böden und Sedimente mittels beschleunigter Lösungsmittelextraktion analysiert. Schließlich wurde der Bohrkern auf organische Kohlenstoffgehalte und n-Alkan Zusammensetzung untersucht, (wie bereits zuvor beschrieben) und zusätzlich auf Stickstoffgehalte und isotopische Zusammensetzung von δ13C, δ15N und δ15Norg. Zudem wurden Abundanzen von den verzweigten Alkanen Pristan und Phytan und eine Biostratigraphie kieselsäurehaltiger Mikrofossililen erstellt. Zeitchronologien wurden anhand von optisch stimulierter Lumineszenz- und Elektronenspinresonanzdatierung abgeleitet.
Ich fand herraus, dass mit zunehmender Entfernung zur Küste und damit auch zur Trockenheit, die organischen Kohlenstoff Gehalte im Oberboden von 53,91±53,90 auf 4,11±1,46 t ha-1 zurückgingen. Im Unterboden erreichten die organischen Kohlenstoffkonzentrationen ihren Höhepunkt zwischen 40 und 150 cm Tiefe, unabhängig davon, ob sichtbare Vegetation vorhanden war. Interessanterweise wurden unterhalb einer Tiefe von 15 cm relativ große Mengen organischer Masse gefunden, die 74,0-94,3 % der organischen Kohlenstoffkonzentration im Unterboden zum organischen Kohlenstoff Bestand im Oberboden hinzufügten. Ich fand auch herraus, dass die n-Alkan Verteilung in nebelgespeisten Pflanzen in der Reihenfolge von nC31, nC29, nC33 und nC27 Alkanen dominiert wurde, während regengespeiste Pflanzen von nC29 und nC31Alkanen dominiert wurden. Wenn das Verhältnis von nC27+nC33/nC29+nC31 als „Nebel-zu-Regen n-Alkan-Verhältnis" angewendet wurde, deuteten die Daten in Oberflächenböden und Sedimenten unterhalb von 1200 m ü.M. (im Westen der Wüste) auf nebelbeeinflusste Bildung von Organik hin, während alle Böden und Sedimente oberhalb von 1200 m ü.M. (im Zentrum und Osten der Wüste) n-Alkane von regengespeisten Pflanzen bildeten. Der Bohrkern deckte die letzten 3,5 Millionen Jahre mit variablen Mengen molekularer Lebensspuren ab. Die vorherrschenden n-Alkan Kettenlängen und kieselsäurehaltige Mikrofossilien bestätigten, dass sich die Quellen von organischer Masse im Laufe der Zeit unterschieden, was auf einen Eintrag von terrestrischer Organik mit abwechselnden trockenen und pluvialen Phasen seit 572 tausend Jahren und danach auf einen beginnenden Eintrag von aquatischer Organik bis 3,5 Millionen Jahre hinweist, wahrscheinlich aufgrund des pliozänen Vorkommens eines Süßwasser- bis oligohalinen Sees von mehreren Metern Wassertiefe.
Zusammenfassend zeigen meine Daten, dass die Böden der Atacama Wüste in der Tat gut erhaltene organische Rückstände und damit Spuren früheren Lebens in sich tragen. Interessanterweise erstreckte sich diese Ansammlung bis in den tieferen Untergrund und lieferte damit Hinweise auf vergrabene Pfade zur Evolution des Lebens. So fand ich Hinweise darauf, dass der heute hyperaride Kern einst unterschiedlich groß war und Spuren von Leben beherbergt, die mindestens seit dem Pliozän an dieser Stelle vergraben sind. Diese Dissertation zeigt, dass die Atacama so viel mehr ist als eine Wüste, sie ist buchstäblich „eine Landschaft die in Trockenheit erstarrt ist".
Abstract Band 81
Mörchen, R.C. (2021): Soils of the Atacama Desert: Reservoir and fingerprint of life. 209 S.
Abstract
Soils preserve the history of a landscape and may bury fingerprints of past life. This is especially true for hyperarid environments like the Atacama Desert, where extreme and prolonged dryness enabled the preservation of organic residues of life. Yet, little is known on pathways and timescales at which life has managed to thrive such an exceptionally rough habitat. To highlight this issue, I aimed at i) identifying and quantifying organic matter (OM) residues along potential dispersal corridors and within soil profiles, ii) relating OM to potential sources and past environmental fluctuations, and iii) investigating across which timescales it is possible to trace OM residues within the desert. To achieve these aims, I sampled four west-east directed transects with increasing distance to the coast, spanning the Atacama Desert from north to south. A nested sampling design was used to account for topsoil heterogeneity at each sampling site (n≤18). Selected soil profiles were dug to 0.6-2.0 m depth and a 51.7 m drill core was taken from a clay pan in an endorheic basin to relate remnants of OM to conclusive paleo-environmental reconstructions and timescales.
The soil organic carbon (SOC) concentrations were determined for each sample by temperature dependent differentiation; n-alkane signatures for plants, soil and sediment were detected using accelerated solvent extraction followed by gas-chromatographic separation and mass-sensitive detection. Finally, the drill core was investigated for SOC contents and n-alkane composition with same methodologies as used before and additionally, I recorded nitrogen contents, isotopic compositions of δ13Corg, δ15N and δ15Norg, abundances of branched alkanes pristane and phytane and assessed silicious microfossil biostratigraphy. Time chronologies were deduced via optically stimulated luminescence and electron spin resonance dating.
I found that with increasing distance to the coast and thus aridity, SOC stocks decreased from 53.91±53.90 to 4.11±1.46 t ha-1 in the topsoil. In the subsoil, SOC concentrations peaked between 40 and 150 cm depth, irrespectively of the presence or absence of visible vegetation. Intriguingly, relatively large amounts of OM were found at depth below 15 cm, adding 74.0-94.3% of subsoil SOC to the topsoil SOC stock. I also found that n-alkane distributions in fog-fed plants were dominated in order by nC31, nC29, nC33, and nC27 alkanes, while rain-fed plants were dominated by nC29 and nC31 alkanes. When the ratio of nC27+nC33/nC29+nC31 was applied as a “fog-to-rain n-alkane ratio”, the data in surface soils and sediments below 1200 m a.s.l. (in the west of the desert) indicated fog-influenced formation of organics, while all soils and sediments formed higher than 1200 m a.s.l. (in the center and east of the desert) archived n-alkanes from plants fed by rain. The drill core covers the last 3.5 Ma with variable amounts of molecular life-tracers. Predominant n-alkane chain lengths and silicious microfossils confirmed that sources of OM differed over time, indicating input of terrestrial OM with alternating dry and pluvial phases since 572 ka, and afterwards beginning input of aquatic OM until 3.5 Ma, likely due to Pliocene presence of a freshwater to oligohaline lake of several meters water depth.
In summary, my data show that soils of the Atacama Desert harbor indeed well-preserved organic residues and thus traces of former life. Intriguingly, this accrual extended into deeper subsoil, therewith providing hints for buried pathways on the evolution of life. Hence, I found indication that the nowadays hyperarid core once varied in size, hosting traces of life which are buried in place at least since Pliocene. This thesis shows that the Atacama is so much more, than a desert, it is literally “a landscape frozen in dryness”.