The Late Eocene to Early Oligocene transition marks a major reorganization of the Earth system characterized by substantial cooling, the emplacement of permanent Antarctic glacia- tion and fundamental changes in ocean circulation. Yet, the mechanisms driving this shift are still a matter of contention. Marine diatoms are central to this transition because their record suggests a major increase in diversity and productivity during this interval. Because modern diatoms are key agents of the biological carbon pump, evaluating their response to climatic perturbations during the Eocene/Oligocene transition is critical, not only for better understanding the nature of this transition but also for predicting plankton evolution under future climate scenarios. However, the diatom record remains underexplored and has often been limited to non-quantitative biostratigraphic compilations that overlook true diversity. Consequently, changes in diatom community composition, turnover dynamics and productivity trends during the Eocene/Oligocene transition are poorly constrained. This thesis addresses these gaps through three major contributions.
The first contribution reconstructs Southern Ocean diatom diversity and community dynamics using quantitative, species-level surveys from four sites spanning the Atlantic and Indian Ocean sectors (DSDP Site 511; ODP Sites 1090, 689, 748). This work addresses the limitations of earlier syntheses by capturing the full assemblage rather than biostratigraphic compilations. My results reveal a previously unknown dimension of Southern Ocean diatoms, indicating that Late Eocene and Early Oligocene communities were at least five times more diverse and structurally complex than previously documented. The analyses identify two intervals of substantial reorganization: one across the Middle-to-Late Eocene transition (38- 36 Ma) and a second around the Eocene/Oligocene boundary (∼34 Ma). Diversity dynamics analyses further reveal a distinct extinction event in the earliest Oligocene, at∼33 Ma, likely associated with changes in sea-surface conditions, including sea-surface cooling.
The second contribution examines Southern Ocean productivity dynamics across the same interval by separating the signals of diatoms and radiolarians. Instead of relying on bulk opal measurements alone, this work integrates group-specific abundances and accumulation rates with diversity reconstructions. The results indicate a strong rise in diatom abundance accompanied by pronounced shifts in diatom diversity structure across the Late Eocene. These coupled patterns are consistent with an ecological and productivity reorganization linked to the strengthening of circum-Antarctic current in the Late Eocene. Furthermore, this work suggests that diatom expansion, and the resulting increase in export efficiency, may have been part of the mechanistic mosaic contributing to the Late Eocene cooling, and to the threshold response at the Eocene/Oligocene boundary as Earth system shifted into an icehouse climate state. The third contribution extends the spatial scope of the thesis to the equatorial Atlantic (DSDP Site 366, NW Africa). While the first two manuscripts of this work reveal new di- mensions of the high-latitude diatom diversity and productivity responses to polar cooling, the propagation of the environmental signals into tropical systems remains critical for con- straining the extent of Eocene/Oligocene environmental change. By integrating species-level diversity with productivity data, this contribution documents a fundamental reorganization of equatorial Atlantic assemblages. A key result is a sharp community transition and extinction event at∼33.5 Ma, consistent with a threshold response to increasing thermal stratification in the tropical Atlantic. Moreover, this contribution reveals strong parallels in the timing and shape of diatom diversity profiles between the tropical Atlantic and the high southern Atlantic across the Eocene/Oligocene transition. In summary, this work extends our understanding of diatom evolution across one of the most enigmatic climatic state shifts in Earth history. Although the Eocene/Oligocene transi- tion is a recognized turning point in plankton evolution, especially for diatoms, prior evidence has often relied on diversity-incomplete biostratigraphic records. Here, by combining ex- haustive quantitative species surveys with productivity reconstructions, I provide one of the most complete views currently available of diatom diversity and productivity across both Southern Ocean and equatorial Atlantic settings. This integrated perspective refines the timing of diatom responses to environmental forcing during the Eocene/Oligocene transition. Ultimately, this study deepens our understanding of the empirical links between the geosphere and biosphere, offering critical insights into plankton ecosystem dynamics in the warmer world projected for our future.
Der Übergang vom späten Eozän zum frühen Oligozän stellt eine bedeutende Reorgani- sation des Erdsystems dar, gekennzeichnet durch eine erhebliche globale Abkühlung, den Beginn der permanenten antarktischen Vereisung und grundlegende Veränderungen in der Ozeanzirkulation und der marinen Produktivität. Doch das mechanistische Mosaik, das diesen Wandel vorantrieb, bleibt umstritten. Marine Diatomeen sind für diese Fragestellung von zentraler Bedeutung, da verfügbare Datensätze einen starken Anstieg der Diatomeen- Diversität und der Kieselplankton-Produktivität während des Eozän-Oligozän-Übergangs belegen. Im modernen Ozean spielen Diatomeen-Gemeinschaften eine Schlüsselrolle in der Primärproduktion, im Kohlenstoff- und Siliziumkreislauf sowie in der Exportproduktion; über diese Pfade beeinflussen sie die Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe, einen Schlüsselprozess, der den Austausch von CO2 zwischen Ozean und Atmosphäre reguliert. Zu verstehen, wie Diatomeen auf die klimatischen und ozeanographischen Veränderungen über den Eozän/Oligozän-Übergang reagierten, ist daher wichtig, um die Klimageschichte der Erde und die Interaktionen zwischen Geosphäre und Biosphäre einzugrenzen und um evolutionäre Reaktionen des Planktons in den Kontext zukünftiger Klimaszenarien zu setzen.
Trotz ihrer Relevanz bleiben Diatomeen-Datensätze aus dem späten Eozän bis zum frühen Oligozän wenig erforscht. Das bestehende Wissen stützte sich oft auf nicht-quantitative bios- tratigraphische Zusammenstellungen, die auf altersdiagnostische Taxa fokussiert waren, wodurch wesentliche Teile der wahren Diversität und der Gemeinschaftsstruktur, die ökolo- gische Informationen trägt, übersehen werden können. Infolgedessen blieb vor dieser Arbeit ungewiss, wie sich die Diatomeen-Diversität, die Zusammensetzung der Vergesellschaftun- gen und der Turnover durch das späte Eozän und frühe Oligozän veränderten, und ob die abgeleiteten Verschiebungen über verschiedene ozeanographische Milieus hinweg kon- sistent waren und mit unabhängigen Belegen für Umwelt- und Produktivitätsänderungen übereinstimmten. Diese Arbeit adressiert diese Lücken durch drei wesentliche Beiträge.
Der erste Beitrag rekonstruiert die Diversität und Gemeinschaftsdynamik der Diatomeen im Südozean über den Eozän/Oligozän-Übergang hinweg unter Verwendung quantita- tiver Erhebungen auf Artniveau an vier Standorten, die den atlantischen und indischen Sektor abdecken (DSDP Site 511; ODP Sites 1090, 689 und 748). Diese Arbeit adressiert direkt eine zentrale Einschränkung früherer Diversitätssynthesen des Südozeans: Biostrati- graphische Kompilationen betonen typischerweise häufige Marker-Arten und neigen daher dazu, die wahre Diversität zu unterschätzen und die Zusammensetzung der Gemeinschaft zu vereinfachen. Indem sie vollständige Vergesellschaftungen statt nur stratigraphischer Indikatoren erfassen, enthüllen meine Ergebnisse eine zuvor nicht erkannte Dimension der Diatomeen-Gemeinschaften im Südozean, was darauf hindeutet, dass die Vergesellschaftun- gen vom späten Eozän bis zum frühen Oligozän wesentlich diverser (mindestens fünffach) und strukturell komplexer waren, als in früheren Zusammenstellungen üblicherweise dargestellt. Standortübergreifend identifizieren die Diversitätsanalysen zwei wiederkehrende Intervalle erheblicher Reorganisation sowohl in der Diversität als auch in der Zusammensetzung der Vergesellschaftung: eines über den Übergang vom mittleren zum späten Eozän (38–36 Ma) und ein zweites um die Eozän/Oligozän-Grenze (∼34 Ma). Nach einem Intervall im späten Eozän, das durch Diversifizierung mit begrenztem Aussterben gekennzeichnet war, dokumen- tieren die Datensätze ein markantes Aussterbeereignis im frühen Oligozän, rund 1 Mio. Jahre nach der Eozän/Oligozän-Grenze, konsistent mit einer Periode großer Veränderungen der Meeresoberflächenbedingungen, die eine Abkühlung der Oberflächengewässer beinhaltete.
Der zweite Beitrag untersucht die Produktivitätsdynamik des Südozeans im gleichen Inter- vall, indem die Signale der zwei großen Gruppen des Kieselplanktons, Diatomeen und Radio- larien, getrennt werden. Anstatt sich ausschließlich auf Gesamt-Opal als integriertes Maß zu verlassen, quantifiziert diese Arbeit die Abundanzen und Akkumulationsraten von Diatomeen und Radiolarien an denselben Standorten im Südozean und bewertet diese Produktivitätssig- nale neben der rekonstruierten Diatomeen-Diversität und der Gesamt-Diatomeen-Häufigkeit. Paläoproduktivitätsstudien bewerten oft Akkumulationsraten, ohne explizit zu verfolgen, wie sich die Zusammensetzung und Diversität der Planktongemeinschaft parallel dazu entwickeln. Durch die Integration gruppenspezifischer Produktivitätsindikatoren mit Diversitätsinfor- mationen auf Ebene der Vergesellschaftung bewertet dieser Beitrag, wie Verschiebungen in der Gemeinschaftsstruktur mit Veränderungen in der Kieselplankton-Produktivität und dem Export zusammenhängen. Die Ergebnisse deuten auf einen starken Anstieg der Diatomeen- Häufigkeit hin, begleitet von ausgeprägten Veränderungen in der Diversitätsstruktur durch das späte Eozän in das frühe Oligozän. Diese gekoppelten Muster sind konsistent mit einer ökologischen Reorganisation, die möglicherweise mit der Stärkung der zirkumantarktis- chen Zirkulation im späten Eozän verbunden war, mit plausiblen Auswirkungen auf die Exporteffizienz und die biologische Kohlenstoffpumpe. Gleichzeitig sind die Ergebnisse damit vereinbar, dass die Expansion der Diatomeen und die damit verbundenen Verän- derungen im Export Teil eines breiteren Mechanismenbündels waren, das zur Abkühlung im späten Eozän und zur darauffolgenden schwellenartigen Klimaverschiebung an der Eozän/Oligozän-Grenze beitrug. Methodisch wird zudem deutlich, dass Rückschlüsse aus biogenem Opal robuster sind, wenn Diversität, Assemblagenzusammensetzung und grup- penspezifische Produktivitätssignale integriert werden, statt sich allein auf Messungen des Gesamtopals zu stützen.
Der dritte Beitrag erweitert den räumlichen Rahmen der Arbeit durch die Rekonstruk- tion der Diatomeen-Diversität, der Aussterbedynamik und der Produktivität in niedrigen Breiten an DSDP Site 366 (Sierra Leone Rise, NW-Afrika, äquatorialer Atlantik) über den Eozän/Oligozän-Übergang. Während die Reaktionen des Planktons in hohen Breiten auf die polare Abkühlung weitgehend untersucht wurden, bleibt es schwierig zu bewerten, wie sich Umweltsignale hoher Breiten in tropische Ökosysteme fortpflanzten, wo die physikalische Struktur der Wassersäule den Planktongemeinschaften andere Grenzen auferlegen kann. Durch die Integration der Diatomeen-Diversität auf Artniveau mit der Diatomeen- und Radiolarien-Produktivität an DSDP Site 366 dokumentiert dieser Beitrag eine fundamen- tale Reorganisation der Diatomeen-Vergesellschaftungen des äquatorialen Atlantiks im frühesten Oligozän, konsistent mit zunehmender thermischer Schichtung in tropischen Ober- flächengewässern. Ein Schlüsselergebnis ist ein scharfer Übergang in der Gemeinschaft und ein Aussterbeereignis bei ∼33,5 Ma, konsistent mit einer schwellenartigen ökologischen Reak- tion auf eine strukturelle Veränderung in der Wassersäule. Dieser Datensatz aus niedrigen Breiten bietet Einblicke in die räumliche Struktur des ökologischen Wandels des Planktons über den Eozän/Oligozän-Übergang und hebt die verstärkte Schichtung im tropischen At- lantik als einen plausiblen Mechanismus hervor, der die Diversitätsdynamik der Diatomeen in diesem Milieu prägte.
Insgesamt erweitern die in dieser Arbeit präsentierten Diversitätsdaten auf Artniveau unser Verständnis der Diatomeen-Evolution über den Eozän/Oligozän-Übergang. Ob- wohl dieses Intervall seit langem als Wendepunkt in der Evolutionsgeschichte des Planktons erkannt wurde, insbesondere für Diatomeen, beruhte die zugrundeliegende Beleglage oft auf diversitätsmäßig unvollständigen biostratigraphischen Datensätzen und Teilbeobach- tungen. Hier, durch die Kombination umfassender quantitativer Artenerhebungen mit Produktivitätsrekonstruktionen, liefere ich eine der aktuell vollständigsten Ansichten über Diatomeen-Diversität, Gemeinschaftszusammensetzung und Kieselplankton-Produktivität sowohl im Südozean als auch in äquatorialen atlantischen Einstellungen. Diese integrierte Perspektive verfeinert das zeitliche Verständnis von Diversitätsverschiebungen und Ausster- bereaktionen auf Umweltantriebe während des Eozän/Oligozän-Übergangs. Letztendlich vertieft diese Studie unser Verständnis der empirischen Verbindungen zwischen Biosphären- und Geosphärendynamik, indem sie zeigt, wie Veränderungen in Klima und Ozeanzirkula- tion mit Verschiebungen in der Struktur der Diatomeen-Gemeinschaft, dem Turnover und dem Kieselplankton-Export über verschiedene ozeanographische Milieus hinweg einherge- hen. Diese Ergebnisse liefern eine quantitative Basis für die Interpretation der Sensitivität von Plankton-Ökosystemen gegenüber Umweltveränderungen mit Relevanz für die wärmere Welt, die für unsere Zukunft prognostiziert wird.
