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Experiment am lebenden Ökosystem

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 02.01.2012 13:11

Das Kohlendioxid, das der Mensch in die Atmosphäre bläst, treibt nicht nur die Temperatur unserer Lufthülle in die Höhe, es verändert auch die Meereschemie. Die Ozeane werden saurer, und das wahrscheinlich mit einer noch nie dagewesenen Geschwindigkeit. Meeresbiologen setzen gerade dazu an, die Folgen dieses unaufhaltsamen Prozesses für die Ökosysteme abzuklopfen. Auf der Herbsttagung der Amerikanischen Geophysikalischen Union in San Francisco wurden Resultate präsentiert. Sie ergeben ein äußerst komplexes Bild mit zum Teil widersprüchlichen Aussagen.

Unterschiedliche Typen der Kalkalge Emiliana huxleyi. Die Stärke der Schale nimmt von vorne nach hinten ab (© CEREGE/Luc Beaufort).Die Prozesse, die die Ozeane saurer werden lassen, folgen der schlichten Physik und Chemie. Seit Beginn der Industriellen Revolution hat die Menschheit den CO2-Gehalt der Atmosphäre um rund ein Drittel auf 380 ppm emporgetrieben. Wiederum rund ein Drittel dieses Kohlendioxids wird über die Meeresoberfläche in den Ozeanen gelöst und bildet dort Kohlensäure, eine schwache Säure. Seit Beginn der Industrialisierung ist der pH-Wert, der den Säuregrad misst, um 0,1 Punkte gefallen. "Das klingt nach sehr wenig", meint Nina Keul, Doktorandin am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven, "aber das bedeutet, dass sich der Säuregrad um rund ein Viertel erhöht hat." Hans Pörtner, Professor am Bremerhavener Institut, ergänzt: "Wenn wir diese Entwicklung bis 2100 extrapolieren, werden wir eine dreifach höhere Versauerung haben, 2300 eine sechsfach höhere."

Die große Frage ist, was diese Entwicklung für die Ökosysteme bedeutet. Soviel ist schon einmal klar: Eine einfache Ursache-Wirkungs-Beziehung lässt sich nicht aufstellen: "Wenn Sie mich danach fragen, kann ich es leider nicht beantworten", erklärt Sam Dupont, Meeresbiologe an der Universität Göteborg, "je mehr wir erfahren, um so komplexer wird das Bild." So reagiert nur etwa die Hälfte der bisher näher erforschten Spezies negativ auf eine Absenkung des pH-Wertes, die andere Hälfte zeigt gar keine oder sogar positive Effekte. "Es wird wahrscheinlich zu starken Veränderungen in den Ökosystemen kommen", erklärt Hans-Otto Pörtner, "aufgrund der Reaktionen, die wir bislang sehen, glauben wir, dass sich die Beziehungen zwischen den verschiedenen Arten ändern werden." Doch was das konkret bedeutet und ob es allgemeine Muster geben wird, kann die Wissenschaft erst in Zukunft sagen, nachdem man umfangreiche Studien durchgeführt hat.

Mesokosmen bei der Marinen Station der Uni Bergen in Espegrend am Bergen Fjord. Erstautorin Andrea Frommel misst pH-Werte (© IFM-GEOMAR).Diese Studien sind zum Teil bereits angelaufen. So berichten Forscher des Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-Geomar) in Kiel von Experimenten mit den Larven des Kabeljaus oder Dorschs, eines der wertvollsten Speisefische. "In Testreihen konnten wir zeigen, dass die Larven besonders anfällig gegen Veränderungen des pH-Wertes sind", erklärt die Erstautorin der Studie, Andrea Frommel. Sie verwendete für ihre Versuche die vom IFM-Geomar entwickelten Mesokosmen, also Versuchsbehälter, die im Meerwasser schwimmen. In diesen setzten Frommel und ihre Kollegen die Fischlarven drei verschiedenen Atmosphären aus: einer heutigen, einer, die mit 1800 ppm Kohlendioxidgehalt den prognostizierten Bedingungen am Ende dieses Jahrhunderts entspricht, und einer, die mit 4200 ppm Kohlendioxidgehalt extreme Situationen in Küstengewässern simulieren soll.

Die Dorschlarven wurden über sieben Wochen lang beobachtet, wie sie mit den Bedingungen zurechtkamen. Die Forscher stellten fest, dass vor allem Gewebeschäden bei den inneren Organen entstanden, die zum Teil tödlich für die Larven waren. "Das liegt daran, dass die Larven in diesem Zeitfenster in einem kritischen Stadium sind, in dem viele innere Umbauprozesse stattfinden", erklärt Frommel. Die Forscher erwarten, dass die Ozeanversauerung einen zusätzlichen Stressfaktor für die ohnehin schon durch Temperatursteigerung und Überfischung unter Druck geratenen Fischbestände sein wird. "Sie ist allerdings besonders kritisch, weil die Fischlarven für Erhalt und Wiederaufbau der überfischten Bestände von elementarer Bedeutung sind", resümiert die Meeresbiologin.

Doch es gibt auch anderslautende Resultate. AWI-Forscherin Nina Keul hat in ihren Experimenten solche, wie sie sagt, "kontraintuitiven" Ergebnisse erzielt und sie in San Francisco vorgestellt. Die Doktorandin hat im Rahmen des europäischen Epoca-Projektes kalkschalenbildende Mikroalgen, sogenannte Foraminiferen, untersucht. Foraminiferen bilden eine wichtige Basis der marinen Nahrungspyramide, und es wird erwartet, dass sie besonders unter der Versauerung leiden werden, weil sich der Baustoff für ihre Schalen dramatisch verknappt. "Das Kontraintuitive war, dass sich die Wachstumsrate der untersuchten Foraminiferen erhöhte, obwohl die Zahl der Karbonat-Ionen zurückging", erklärte Keul. Überraschungen wie diese müssen die Wissenschaftler erst einmal verarbeiten, eine Erklärung haben sie bislang nicht. Allerdings will Keul auch nicht ausschließen, dass das Ergebnis durch die Art des Experiments beeinflusst wurde. "Wir haben die Versuche mit isolierten Arten in Petrischalen durchgeführt. Wie diese sich in der freien Natur und in Gemeinschaft mit anderen Organismen verhalten, wissen wir einfach nicht, und wir können es aus solchen Experimenten auch nicht ablesen."

Intaktes KorallenriffBeobachtungen aus der freien Natur sind in der Tat selten, vor allem, weil im Ozean nur schwer zukünftige Zustände simuliert werden können. Anhaltspunkte gibt der Blick in die Vergangenheit. Bohrkerne, die im Rahmen des Internationalen Meerestiefbohrprogramms IODP vor Tahiti gezogen wurden, protokollierten die Entwicklung am Ende der jüngsten Eiszeit vor rund 15.000 Jahren. Robert Riding von der University of Tennessee, hat sie mit Blick auf die Ozeanversauerung durchgesehen: "Wir untersuchten die Stromatolithen. Das sind kalkabscheidende Bakterien, die - anders als Korallen beispielsweise - ihre Kalkabscheidung überhaupt nicht kontrollieren können. Damit ist ihr Verhalten einfacher zu interpretieren. Diese Stromatolithen waren in der Zeit vor mehr als 12.000 Jahren Teil dieses Riff-Ökosystems. Sie bauten dicke Bakterienmatten auf, die das Riff und damit die Korallen vor Wellen und Stürmen schützten. Vor 12.000 Jahren begann diese Stromatolithen abzunehmen." 

Im Lauf von 4000 Jahren wurden die Matten immer dünner und verschwanden schließlich vollkommen. Weil diese Veränderungen inzwischen auch an anderen Riffen beobachtet werden, muss es sich damals um ein globales Phänomen gehandelt haben. "Wir glauben, dass diese Abnahme eine natürliche Meeresversauerung widerspiegelt, denn vor 12.000 Jahren begann die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre anzusteigen." Infolge der globalen Erwärmung nach dem Ende der Eiszeit gab es einen ähnlichen Trend wie heutzutage, allerdings gestreckt über einen wesentlich längeren Zeitraum von 4000 Jahren. Doch auch der Kohlendioxidanstieg von damals ließ die Ozeane versauern und ließ damals die Stromatolithen verschwinden. Für die Riffe hatte das ebenso Folgen: Die Stromatolithen mit ihren massiven Kalkpaketen hatten die bisweilen fragilen Riffstrukturen abgestützt und gegen heftige Stürme und Strömungen geschützt. Dieser Schutz verschwand und die Stürme hatten leichteres Spiel.

Doch selbst in den heutigen Weltmeeren findet man einige wenige Stellen, die einen Vorgeschmack der Zukunft liefern könnten, weil an ihnen der pH-Wert des Wassers natürlich erniedrigt ist. Eine solche Stelle ist etwa der Humboldt-Graben, wo Wasser mit niedrigem pH-Gehalt aus der Tiefsee emporwallt. Aber auch an der mexikanischen Pazifikküste gibt es Stellen, wo Lebewesen bereits heute Bedingungen ausgesetzt sind, wie sie erst in ein paar Jahrzehnten herrschen werden. Adina Paytan von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz hat sich dort näher umgesehen, denn dort wachsen Korallenriffe, von denen einzelne Teile Meerwasser mit einem niedrigen pH-Wert ausgesetzt sind. "Dort schwanken die chemischen Bedingungen stark, weil an untermeerischen Quellen Grundwasser mit einem niedrigen pH-Wert ins Meer fließt", erklärt die in den USA lehrende Israeli. 

Auch an diesen sauren Quellen lebten einige Korallenarten, allerdings gehören sie nicht zu denjenigen, die die berühmten Riffe aufbauen. Stattdessen bilden sie kleinere, unscheinbare Kolonien. "Falls das beispielhaft für die Zukunft sein sollte, werden wir anstelle von großen Barriereriffen kleine, verstreute Kolonien einzelner Arten haben", sagt Paytan. Den überlebenden Korallengemeinschaften könnte es sogar besser gehen, denn die Algensymbionten der Nesseltiere könnten vom steigenden Kohlendioxid im Ozeanwasser profitieren. "Diese Algen profitieren von den etwas saureren Bedingungen im Meerwasser, weil mehr Nährstoffe gelöst sind. Wir prüfen die Hypothese, dass diese Korallen deshalb besser mit der Versauerung zurechtkommen, weil ihnen ihre Algen-Symbionten  mehr Energie liefern", erzählt Paytan. Die Folgen sowohl für die Ökosysteme, die sich an den Riffen bilden, als auch für die Küsten, die von den Riffen geschützt werden, sind dagegen noch nicht absehbar.

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