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Experiment mit unwägbarem Ausgang

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 30.09.2016 08:22

Die Menschheit hat in den vergangenen 200 Jahren den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in einer bis dato nicht gekannten Geschwindigkeit erhöht. Auch die Ozeane bekommen das zu spüren, denn sie nehmen große Mengen des atmosphärischen Treibhausgases auf. Der Effekt: Das Meerwasser wird im Eiltempo saurer. Weltweit untersuchen Wissenschaftler, was das für die Lebenswelt in den Meeren bedeutet – und erleben dabei Überraschung nach Überraschung.

Emiliania huxleyi in guter Verfassung. (Bild: GEOMAR)Emiliania huxleyi ist eine wahre Schönheit. Kugelrund und mit kreisrunden Plättchen bedeckt, die an teure Alu-Räder erinnern, schwimmt die Kalkalge durch die Weltmeere. Trotz ihrer geringen Größe – Ehux, wie sie kurz genannt wird, ist mit bloßem Auge nicht zu erkennen – hat sie großen Einfluss. Zusammen mit 200 ähnlichen Arten aus der Gruppe der Kalkalgen oder Coccolithophoriden macht sie zwischen einem und zehn Prozent der marinen Primärproduktion aus, also der pflanzlichen Biomasse, auf der die gesamte Nahrungspyramide in den Ozeanen beruht. Der Anteil kann sich bei Blüten sogar auf 40 Prozent erhöhen – die „Coccos“ sind also eines der wesentlichen Fundamente der Meeresökosysteme.

Rasante Versauerung in den Weltmeeren


Mindestens seit der Zeit der Dinosaurier bevölkern Coccolithophoriden mit großem Erfolg die Weltmeere, doch ihr weiteres Schicksal steht derzeit in den Sternen. Denn der Mensch dreht mit seiner Treibhausgasproduktion nicht nur am Erdklima, er verändert auch die Umweltbedingungen in den Weltmeeren. Bislang haben die Ozeane rund ein Drittel des vom Menschen freigesetzten Kohlendioxids eingefangen und festgehalten. Das Gas wird im Wasser gelöst und verändert langsam seinen als pH-Wert angegebenen Säuregrad. Tatsächlich hat sich der pH-Wert des Oberflächenwassers zwischen 1750 und 1994 von 8,25 auf 8,14 verringert, was einer Zunahme der säurewirksamen Wasserstoffionen um 30 Prozent entspricht. Damit könnte die Menschheit Lebewesen, die wie die „Coccos“ im Wasser gelöstes Karbonat für Schalen oder Skelett brauchen, das Dasein ganz schön vergällen. Je saurer die Umgebung wird, umso schwieriger wird es Kalkstrukturen aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Dabei ist vor allem die Geschwindigkeit ein Problem, in der das geschieht. Es ist völlig unklar, ob die Kalkalgen sich daran anpassen können.

Säuregrad der Weltmeere: pH-Unterschiede sichtbar gemacht. (Bild: Wikimedia Commons)Sicher allerdings ist, dass die Menschheit auch im Ozean ein Experiment mit unbekanntem Ausgang gestartet hat. „Es ist ganz schwierig zu sagen, in welche Richtung es gehen wird“, gesteht Ulf Riebesell vom Kieler GEOMAR ein. Der Professor für biologische Ozeanographie ist Koordinator des Forschungsprogramms BIOACID, in dem 15 deutsche Partner die Folgen der Versauerung untersuchen. Riebesell gehört weltweit zu den besten Experten in Sachen Ozeanversauerung, doch schützt ihn das keineswegs vor Überraschungen. Bestes Beispiel ist das Experiment, das er und sein GEOMAR-Kollege Thorsten Reusch vor Jahren in ihren Kieler Laboren begonnen haben.

Kalkalgen halten nicht Schritt


„2012 haben wir nach dem ersten Jahr sehr hoffnungsvolle Ergebnisse veröffentlicht“, erklärt Reusch, „und jetzt, nach vier Jahren, waren wir sehr überrascht, als sich genau das Gegenteil ergab.“ Die Forscher halten seit 2011 Ehux-Populationen, die alle aus einer einzelnen Mutter-Alge gezüchtet worden sind, unter drei verschiedenen Umweltbedingungen. Einmal entspricht der Säuregrad des Wassers den heutigen Bedingungen, einmal ist das Wasser so sauer, wie man es nach den pessimistischsten Szenarien des Weltklimarats IPCC für das Ende des Jahrhunderts erwartet. Die dritte Versuchsgruppe wird in einer Extremumwelt gehalten, bei der der Säuregrad einer Atmosphäre mit dem fünffachen Kohlendioxidgehalt von heute entspricht. 2012 schienen sich die Ehux-Klone gut in der saureren Umgebung eingerichtet zu haben. Sie vermehrten sich fast so gut wie die Kontrollgruppe unter Normalbedingungen, vor allem aber bildeten sie genauso regelmäßige und dicke Kalkschalen wie diese. Im vierten Jahr sah das ganz anders aus. Zwar wuchsen die Algen im saureren Milieu genauso gut wie ihre glücklicheren Artgenossen, doch ihre Kalkschale hatte sich merklich ausgedünnt.

KOSMOS2015, Mesokosmen-Experiment zur Ozeanversauerung im Raunefjord, Bergen, Norwegen. (Bild: GEOMAR, Maike Nicolai)„Wir spekulieren, dass wir zunächst so eine Art Mitnahmeeffekt gesehen haben“, sagt Riebesell. Die Kalkalgen hätten ihren Stoffwechsel an den höheren Säuregrad angepasst und in diesem Anpassungsprozess auch die Kalkplättchen wie gewohnt produziert. „In der weiteren Folge hat sich dann aber herausgestellt, dass der höhere energetische Aufwand für die Kalkbildung nicht mehr zu leisten war“, so Riebesell. Unter Normalbedingungen verwendet Emiliania ungefähr 30 bis 40 Prozent ihrer Energie auf die Kalkplattenproduktion, die nochmalige Steigerung dieses Aufwandes haben die Algen auf die Dauer nicht durchgehalten und dafür ihre Schalen geopfert. So zumindest ist der Stand des Langzeitexperiments nach vier Jahren und 2100 Algengenerationen.

Probleme mit komplexer Realität


Laborexperimente wie das am Kieler GEOMAR sind ein zweischneidiges Werkzeug. Das Positive ist: Sie sind so strikt kontrolliert, dass sie gut anzeigen, welche Effekte Änderungen an einem bestimmten Faktor nach sich ziehen. Im Fall der Versauerungsexperimente eben die Wirkung des erhöhten Säuregrads auf die Schalen eines exemplarischen Kalkalgenstamms. Eng mit dieser geschärften Aussage verknüpft ist aber eine negative Seite: Kontrollierte Laborexperimente sind extrem künstlich, weil sie andere Einflussfaktoren ausschalten und damit das verwirrende Geflecht von Wirkungen und Gegenwirkungen komplett ausblenden, das in der Natur vorherrscht. Welche Schlüsse lassen sich also von den Ergebnissen im GEOMAR-Labor an der Kieler Förde auf die Vorgänge im Meerwasser direkt vor der Institutstür ziehen? „Ich wäre super vorsichtig, denn da fehlen Konkurrenten und Fressfeinde, da fehlen auch Viren“, sagt Thorsten Reusch. Gerade Fressfeinde aber könnten dünnschaligen Kalkalgen den Garaus machen.

Mesokosmen werden für ein Experiment im offenen Meer ausgesetzt. (Bild: GEOMAR)Schritt für Schritt versuchen die Wissenschaftler daher die Lücke zwischen Laborexperiment und Realität zu überbrücken. Die Experimente der nächsten Generation sind bereits komplexer geworden, neben Kalkalgen bevölkern jetzt auch Nahrungskonkurrenten, Fressfeinde und Krankheitserreger die Versuchsflaschen. Auf der anderen Seite will man naturnahe Experimente, wie sie Ulf Riebesells Arbeitsgruppe mit Hilfe sogenannter Mesokosmen seit einigen Jahren durchführt, länger laufen lassen. „Wir müssen das miteinander kombinieren“, meint Thorsten Reusch, „aber das ist definitiv nicht trivial.“ So ist schon der Aufwand für das derzeit laufende Langzeitexperiment mit den Ehux-Stämmen sehr hoch. Die Experimentalstationen von Ulf Riebesell und seinen Kollegen sind ebenfalls außerordentlich teuer. Länger als fünf Monate wurden die Mesokosmen bislang noch nicht eingesetzt. Immerhin: „Über diese Zeiträume fängt man zumindest schon mal an, eine Evolution zu sehen“, sagt Thorsten Reusch.

Offene Überlebensfrage für Kalkalgen


Das aber ist die Schlüsselfrage, vor der alle Experten stehen: Werden es die Mikroalgen im Meer schaffen, sich an die steigenden Säuregrade des Wassers anzupassen? Für den Lebensraum Ozean ist das so etwas wie eine Schicksalsfrage, denn Kalkalgen wie Emiliania huxleyi sind nicht nur wichtige Steine in der Basis der Nahrungspyramide. Sie binden in ihren Kalkschalen auch gewaltige Mengen von Kohlendioxid und sie sind ein starker Motor für die sogenannte biologische Kohlenstoffpumpe. Die treibt den Nährstofftransport von den biomassereichen Oberflächengewässern in die Tiefsee an. „Kalk fungiert als Ballast, denn es ist das schwerste, was wir an Biomineralien haben“, erklärt Ulf Riebesell, „es sorgt dafür, dass nahe der Oberfläche gebildeter organischer Kohlenstoff wie ein Stein nach unten sinkt.“ Kalkalgen sind in fast allen Gebieten der Ozeane zu Hause, abgestorben rieseln sie samt der damit verklumpten Organik in einem kontinuierlichen Schauer in die Tiefsee. Dort dienen sie als Basis einer ganz anderen Nahrungspyramide. Werden die Kalkschalen jetzt filigraner, fällt auch der Dauerregen von der Oberfläche dünner aus.

Das Arbeitsboot Wassermann beim Ausbringen der Mesokosmen. (Bild: GEOMAR, Silke Lischka)Die Biologen setzen ihre Hoffnung auf die Evolution. Die ungeheure Zahl an Kalkalgen repräsentiert ein gewaltiges genetisches Potential auf die Herausforderung eines schleichend versauernden Meeres zur reagieren. „Die werden sich garantiert anpassen in diesen Zeiträumen“, sagt Ulf Riebesell. Und selbst wenn es bestimmte Kalkalgen oder sogar die komplette Gruppe nach mehr als 100 Millionen Jahren Entwicklungsgeschichte nicht mehr schaffen sollte, ihr Platz im Ökosystem wird nicht lange freibleiben. „Die Nährstoffe, die die Coccolithophoriden heute aufnehmen, würde jemand anderes nutzen können, im günstigsten Fall wäre dessen Futterqualität genauso gut und das Nahrungsnetz würde keinerlei Schaden nehmen“, so Riebesell. Ob dieser „andere“ dann auch die weiteren Funktionen der Kalkalgen übernehmen würde, ist dagegen schwer vorherzusehen. Nach Ansicht der Experten wird sich daran auch nicht viel ändern. „Ehrlich gesagt“, meint Ulf Riebesell, „werden wir es in absehbarer Zeit nicht schaffen, die komplexen Auswirkungen der Ozeanversauerung auf die Lebensgemeinschaften mit hoher Wahrscheinlichkeit vorherzusagen.“