Erwärmung der Meere stört Kohlenstoff-Bindung durch Plankton

Das Plankton in den Weltmeeren spielt eine wichtige Rolle bei der Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Ein Teil des fixierten Kohlenstoffs sinkt mit ihm über die Nahrungskette in die Tiefe ab und wird so dem Austausch mit der Atmosphäre entzogen. Die Erwärmung der Meere durch den Klimawandel scheint diesen Effekt aber zu stören.

So erwarten Forschende an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, dass aufgrund der Erwärmung der Ozeane als Folge des menschlichen Treibhausgas-Ausstoßes viele Arten des Meeresplanktons neue Lebensräume erschließen werden. Zahlreiche Organismen würden demnach zu den Polen wandern und dort neue Artengemeinschaften bilden. Mit unabsehbaren Folgen für die marinen Nahrungsnetze, wie Fabio Benedetti und Meike Vogt aus dem Forschungsteam an der ETH annehmen. An der Studie beteiligt war auch die Eidgenössische Forschungsanstalt Wald, Schnee und Landschaft.

Das Meer ist voll mit schwebenden, mikroskopisch kleinen Lebewesen. Diese als Plankton bekannte Lebensgemeinschaft erbringt wichtige Ökosystemdienstleistungen. So fixiert pflanzliches Plankton, das Phytoplankton, durch Photosynthese Kohlenstoff in der Form von CO₂ und treibt dadurch den marinen Kohlenstoffkreislauf an. Es ernährt darüber hinaus das tierische Zooplankton, das als Nahrung für Fische und Meeressäuger bis hin zum riesigen Blauwal dient.

Verschiebungen des Planktons schon im vollen Gange

Dass sich im Zuge der Klima- und der damit verbundenen Ozeanerwärmung Verschiebungen in der Verbreitung der kleinen Lebwesen ergeben, erwarten Forschende seit langem. Das erste systematische Überwachungsprogramm, der Continuous Plankton Recorder (CPR), begann in den 1930er Jahren im Nordatlantik. Mithilfe der CPR-Daten konnten jüngst andere Forschende nachweisen, dass kleinere Ruderfußkrebse, die Copepoden, seit den 1950er Jahren größere Arten im Nordatlantik aufgrund der Klimaerwärmung verdrängt haben. Dies hat auch die Fixierung des atmosphärischen CO₂ in der Tiefsee verringert. Auch Quallen als Bestandteil des Zooplanktons wandern nordwärts. So wurden 2005 in Irland plötzlich massenhaft tropische Quallen festgestellt, die die Lachszuchten entlang der Küste vernichteten.

„Anhand solcher Episoden erkennen wir, dass die Verschiebungen des Planktons bereits im vollen Gange sind“, sagt Meike Vogt. Doch unklar ist bisher, welche Arten in Zukunft wo vorkommen könnten. Das Forschungsteam an der ETH hat deshalb einen neuen globalen Datensatz zusammengetragen, um darauf basierend Verbreitungskarten von über 860 Arten des Phyto- und Zooplanktons zu erstellen. Die Karten basieren auf verschiedenen statistischen Verfahren und Klimamodellen. In einem weiteren Schritt überlagerten sie diese Karten, um herauszufinden, wie Gemeinschaften der Lebwewesen in Zukunft aussehen und wo diese vorkommen könnten.

Nach den Ergebnissen nimmt die Vielfalt sowohl des Phyto- als auch des Zooplanktons künftig in vielen Meeresregionen zu, weil wärmeres Wasser eine höhere Vielfalt fördert. Sind die Temperaturen allerdings sehr hoch, also mehr als 25 Grad Celsius, reagieren die Lebwesen auf die Erwärmung verschieden. Die Vielfalt des Phytoplanktons steigt weiter an, während diejenige der Tiere kleiner wird. Das führt laut der Studie zu einer Abnahme der Zooplanktonvielfalt in den Tropen.

Zunahme der Vielfalt könnte marine Ökosysteme ernsthaft bedrohen

Nach Annahme der Autoren würden sich dann Arten aus den Tropen und Subtropen in Richtung der Pole ausbreiten und Arten ersetzen, die an kühle Gewässer angepasst sind. Dadurch entstünden zahlreiche neue Artengemeinschaften, die es bislang so nicht gegeben habe. „Es werden Arten aufeinandertreffen, die gegenwärtig nicht im gleichen Lebensraum anzutreffen sind und deren Beziehungen untereinander auch nicht aufeinander abgestimmt sind“, heißt es. Die stärksten Änderungen erwarten die Forschenden in Ozeanen der hohen und gemäßigten Breiten, also jenen Meeresregionen, die für die CO₂-Fixierung und für die Fischerei entscheidend sind.

Aber warum? Zumal das ETH-Forschungsteam davon ausgeht, dass sich die Artenzahl in einigen Meeresregionen positiv entwickeln wird. „Die Zunahme der Vielfalt könnte eingespielte marine Ökosysteme höherer Breiten und deren Funktionieren ernsthaft bedrohen“, vermutet Erstautor Fabio Benedetti. Denn die Meeresökosysteme in den hohen und mittleren Breiten hängen bis heute von artenarmen Planktongemeinschaften ab. Auch die Größenverteilung der Organismen hat einen wichtigen Einfluss auf die Qualität der Ökosystemdienstleistung.

Deshalb stellten sich die Forschenden die Frage, ob sich diese Faktoren ändern, wenn sich Planktongemeinschaften und damit ihre Größenverteilungen ändern? Sie simulierten den Einfluss des Klimawandels auf die Größenstruktur von zwei wichtigen Gruppen, den schalenbildenden Diatomeen und den Ruderfußkrebsen. Für diese Gruppen sind Daten über die Größe der einzelnen Arten verfügbar.

Wie ist die Wirkung auf die Festlegung von Kohlenstoff in den Ozeanen?

Mit diesen Simulationen zeigten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass die Lebensraumqualität für kleinere Organismen künftig besser wird, für größere Arten jedoch nicht. Dadurch verändern sich nicht nur die Planktongemeinschaften, sondern auch die Größenanteile. Kleinere Organismen werden in den gemäßigten und hohen Breiten häufiger und zahlreicher, während große Organismen abnehmen. Ändert sich aber die Zusammensetzung des Planktons und dessen Größenanteile, kann sich das negativ auf die gesamte Nahrungspyramide und damit auf die Fischerträge auswirken.

Und wie ist die Wirkung auf die Festlegung von Kohlenstoff in den Ozeanen? Ein Teil des vom pflanzlichen Plankton fixierten Kohlenstoffs sinkt in die Tiefe ab, und wird so dem Austausch mit der Atmosphäre entzogen. Heute lebt in arktischen Ozeanen beispielsweise Phytoplankton, das größer ist als dasjenige in tropischen Meeren. Es trägt oft Schalen und dessen Ausscheidungen sind ebenfalls größer und schwerer. Dadurch sinken sowohl abgestorbene Organismen als auch ihre Exkremente schneller und tiefer, bevor der darin enthaltene Kohlenstoff wieder zu CO₂ abgebaut wird. So wird das im Tiefenwasser gelöste Kohlendioxid aufgrund der Dichteschichtung und der damit verbundenen sehr langsamen Zirkulation der Tiefsee für lange Zeit in der Tiefe festgehalten.

Ersetzen nun kleinere Arten die größeren, nimmt der Transfer von Kohlenstoff in die Tiefsee ab. Wie groß dieser Effekt sein wird, können die Forschenden jedoch nicht genau sagen. „Zurzeit können wir nur bestimmen, wie wichtig gewisse Meeresregionen in Bezug auf verschiedene Ökosystemdienstleistungen heute sind und ob sich diese Leistungen künftig ändern“, erklärt Benedetti.

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