Massiver Rückgang des wichtigsten Phytoplanktons im Meer durch Klimawandel

„Eine wesentliche Schwäche der Studie ist die auf die obersten Schichten beschränkte Probennahme. Es wäre schön gewesen, eine Temperaturbetrachtung in die Modellrechnungen einfließen zu lassen, zum Beispiel wie stark werden tiefere Schichten erwärmt – 20 Meter, 30 Meter, 50 Meter Wassertiefe – und wie wirkt sich das auf die Anzahl der Prochlorococcen beziehungsweise deren Wachstum aus. Das wird in der gesamten Studie ignoriert.“

„Die Messung von Prochlorococcus hat methodisch bedingt einige Herausforderungen: Die charakteristische rote Fluoreszenz der Fotopigmente der Bakterien ist extrem schwach ausgeprägt, wodurch es immer zur numerischen Unterschätzung im Durchflusszytometer (Gerät zur Analyse von Zellen; Anm. d. Red.) kommt, weil die Population mit heterotrophen Bakterien überlappt. Das Influx-Gerät als Referenz zum SeaFlow-Gerät zu nutzen, ist nicht optimal. Ein Küvetten-basiertes, modernes Gerät hätte wesentlich höhere Auflösungen geboten und genauere Aussagen erlaubt als das verwendete stream-in-air-Gerät Influx. Deswegen sind die Zellzählungen, denen die Teilungsraten zugrunde liegen, wahrscheinlich zu niedrig. Leider wurden keine beispielhaften Durchflusszytometer-Messungen gezeigt, um die Qualität der Messungen beurteilen zu können. Auch nicht im Anhang der Studie.“

„Nur, weil sich Prochlorococcus nicht mehr teilt, heißt das noch lange nicht, dass sie nicht mehr leben. Sie könnten sehr wohl noch funktionabel sein – dies wurde aber nicht diskutiert. Eine Absterberate (‚mortality factor') wurde ebenfalls nicht ermittelt. Es gibt viele weitere wichtige Fragen: Wie lange dauert eine typische ‚heiße" Phase‘ (‚heat wave')? Kann Prochlorococcus diese überleben und danach weiterleben beziehungsweise wachsen? Sind Hitze-gestresste Prochlorococcus besonders anfällig gegenüber zum Beispiel Phagen oder Viren? Wie verändert sich die Gesamtzahl beziehungsweise die Gesamtbiomasse der Prochlorococcen (‚standing stock‘)? Kann eine Wiederbesiedelung aus tieferen, kühleren Schichten erfolgen? Wie viele der Bakterien pro Fläche sind überhaupt betroffen? Ist die Temperatur zum Beispiel bereits in 20 Metern Tiefe vielleicht sogar im optimalen Bereich für sie und kann den Oberflächenverlust in drei bis acht Metern Tiefe ausgleichen? Vermutlich ist der Effekt kleiner als in der Studie beschrieben und kann möglicherweise durch die Populationen in den angrenzenden, tieferen Schichten kompensiert werden.“

„Diese Studie postuliert auch, dass es wahrscheinlich zu einer polwärtigen Ausbreitung und Ausdehnung des Verbreitungsgebietes von Prochlorococcen kommt – ähnlich wie die polwärtige Ausbreitung der subarktischen Wälder in den auftauenden Permafrostgebieten. Insofern kann es noch zu einigen Überraschungen kommen, die möglicherweise einen guten Teil der negativen Auswirkungen zumindest kompensieren. Das genutzte Modell legt nahe, dass dies wahrscheinlich nicht so sein wird. Es bleibt aber ein Modell, das zudem nur die oberste Wasserschicht berücksichtigt. Welche Daten konkret in das Modell eingeflossen sind – auch die von tieferen Wasserschichten – bleibt unklar. Leider fehlen dazu wichtige Referenzen in der Veröffentlichung, wie zum Beispiel im Anhang bei den Abbildungen sechs bis neun.“

„Ob Synechococcus (die in der Studie als potenziell profitierendes Phytoplankton beschrieben wird; Anm. d. Red.) die Rolle von Prochlorococcus übernehmen kann, finde ich persönlich zweifelhaft, weil in situ Beobachtungen nahelegen, dass Synechococcus höhere Nährstoffbedarfe hat und eher kühlere Gewässer bevorzugt. Dies wurde allerdings in den Modellberechnungen widerlegt. Ob die Realität dies auch zeigt, wird abzuwarten sein.“

„Zusammenfassend lässt sich sagen: eine spannende Publikation von ausgewiesenen Experten, aber mit deutlichen, methodischen Limitationen, die meines Erachtens die etwas reißerische Aufmachung nicht ganz rechtfertigt. Leider in der heutigen Social-Media-Zeit ein häufiges Phänomen.“

„Die Autor(inn)en dieser Studie haben Freilandmessungen, Experimente und mathematische Modelle genutzt, um Vorhersagen zu treffen, was unter künftigen klimatischen Bedingungen zu erwarten ist. Sie zeigen, dass Prochlorococcus zwischen 19 und 28 Grad Celsius wächst und die Zellzahlen zunehmen, während die Zellzahlen bei höheren Temperaturen (30 Grad Celsius) jedoch deutlich abnehmen. Trotz der Ausdehnung des Lebensraums von Prochlorococcus in kältere Regionen wird laut des Models die weltweite Prochlorococcus-Produktion zurückgehen. Eine Anpassung an die höheren Temperaturen ist möglich, aber die Autoren schlussfolgern, dass diese Anpassung die negativen Folgen der Ozeanerwärmung nur verzögert, aber nicht verhindert. Dies ist ebenso zu erwarten, wenn andere Arten die Biomasseproduktion kurzfristig kompensieren.“

„Die Probennahmen in drei bis acht Metern Tiefe beziehen sich auf die Oberflächen der Ozeane und entspricht dem Bereich, in dem die Erwärmung am schnellsten messbar ist. Dieser Bereich entspricht allerdings auch der Tiefe, in der am meisten Licht für die Photosynthese zur Verfügung steht und damit auch eine hohe Primärproduktion zu erwarten ist. Eine Erwärmung in tieferen Schichten ist ebenfalls zu erwarten und auch messbar. Die Oberflächentemperaturen können mittels Satelliten genau und großflächig bestimmt werden, für Messungen in tieferen Schichten sind andere Methoden wie Schiffsausfahren mit entsprechenden Geräten nötig und daher nicht immer großflächig verfügbar.“

„Einzigartig für aquatische Systeme ist die Tatsache, dass der Großteil ihrer Primärproduktion von photosynthetischen Mikroorganismen aufrechterhalten wird. Trotz ihrer geringen Größe sind diese bemerkenswert effizient bei der Umwandlung von Lichtenergie, und damit der Produktion von Sauerstoff, und übertreffen damit ihre größeren Verwandten, darunter Makroalgen, Makrophyten und sogar Landpflanzen.“

„Phytoplankton spielt eine Schlüsselrolle, nicht nur in der Sauerstoffproduktion – etwa 50 Prozent der gesamten Sauerstoffproduktion findet im Ozean statt –, sondern auch in der Biogeochemie (Kohlenstoffkreislauf) und auch der Wirtschaft. Die Rolle des Phytoplanktons wird jedoch häufig übersehen, da höhere Pflanzen beziehungsweise Landpflanzen in der menschlichen Erfahrung und Wahrnehmung eng mit Nahrungsquellen, Sauerstoffproduktion oder Energiequellen verbunden sind. In Bezug auf den Klimawandel verhält sich das für marine Organismen, wie in dieser Studie dargestellt, auch so, dass diese Temperaturbereiche aufweisen, in denen sie existieren und produzieren können – und wenn diese Temperaturen überschritten werden, sinken die Populationen und damit die Produktion.“

Dieses Statement entstand in Zusammenarbeit mit Dr. Sebastian Rokitta, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Phytoplankton Ökophysiologie, Sektion Marine Biogeowissenschaften, Fachbereich Biowissenschaften, Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven.

„Globale Ozeanmodelle, die mögliche Änderungen in der photosynthetischen Primärproduktion des marinen Phytoplanktons prognostizieren, nehmen üblicherweise einen ausschließlich positiven Effekt von Erwärmung auf das Wachstum dieser einzelligen Algen an. Es wird also davon ausgegangen, dass es immer Mikroalgen gibt, die gut mit den steigenden Temperaturen umgehen können. Physiologische Untersuchungen zeigen jedoch, dass es Grenzen der Anpassung an warme Ozeantemperaturen gibt. Die aktuelle Studie ist vermutlich die erste, die auch einen negativen Wachstumseffekt bei zu hoher Erwärmung in einem Modell abbildet.“

„Die Autor:innen wählten das Cyanobakterium Prochlorococcus aus – eine Schlüsselart der tropischen Meeresgebiete – und weisen überzeugend auf einer breiten Datengrundlage nach, dass diese Art durchaus bei Temperaturen nahe ihrer physiologischen Anpassungsgrenze lebt. Die Wahl der Studienregion ist sinnvoll, da eine Einwanderung von besser an Wärme angepasste Organismen auszuschließen ist und eine Resilienz gegenüber Temperaturerhöhung ausschließlich durch Anpassung vorhandener Arten geschehen kann. Den Effekt auf die zukünftige Artgemeinschaft untersuchten die Autor:innen mithilfe eines State-of-the-Art-Modells. Modelle dieser Art berücksichtigen die unterschiedliche Erwärmung in den verschiedenen Wassertiefen und auch die Tiefenverteilung von modellierten Organismen, was die Projektionen realistisch macht. Die Studie ist als ein ‚was-wäre-wenn‘-Szenario zu bewerten, da – wie von den Autor:innen beschrieben – nicht mit Sicherheit davon ausgegangen werden kann, dass sich a) Prochlorococcus nicht an höhere Temperaturen anpassen kann oder b) keine weiteren Organismen an ihre Temperaturgrenze kommen. Die aktuelle Datengrundlage, die die Autor:innen übrigens sehr gut ausnutzen, lässt allerdings derzeit keine weitere datenbasierte Annahme von Temperaturobergrenzen zu. Von daher ist das gewählte Szenario als valide und durchaus aussagekräftig zu bewerten.“

„Die Interpretation der Ergebnisse ist vorsichtig und fundiert, bleibt innerhalb des derzeitigen biogeochemischen Wissensrahmens und eröffnet Perspektiven für weiterführende Forschung.“

„Die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist das Ergebnis von Jahrtausenden an Sauerstoffproduktion durch photosynthetische Organismen und ist ein stabiles Reservoir. Änderungen in der marinen Primärproduktion oder gar nur der Zusammensetzung werden keinen großen Einfluss auf die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre haben. Änderungen der Rolle des zukünftigen Ozeans als Senke menschgemachter CO₂-Emissionen und damit Änderungen der atmosphärischen CO₂-Konzentration werden von physikalischen Faktoren dominiert – zum Beispiel Temperatur oder Umwälzpumpe der Meere –, zumal die Studienregion kein Hotspot für die Aufnahme atmosphärischen CO₂ ist. Am wichtigsten sind die Studienergebnisse daher für Projektionen des zukünftigen marinen Nahrungsnetzes, da sämtliche Organismen bis hin zu Fischen und Meeressäugern von der Primärproduktion abhängig sind.“

„Entsprechend gestaltete Laboruntersuchungen könnten erforschen, ob evolutive Anpassung das ‚Problem beheben‘ und damit Prochlorococcus auch unter hohen Temperaturen gut wachsen kann. Diese Experimente sind allerdings langwierig und schwierig zu interpretieren, da sie auf die am besten angepassten Zellen selektieren, ohne andere Selektionsfaktoren zu berücksichtigen. Dementsprechend ist der Ansatz der Autor:innen der Studie, Daten aus möglichst unterschiedlichen Methodiken zu verwenden, durchaus robust. Ähnliche Ansätze könnten mit weiteren im Modell dargestellten Organismen durchgeführt werden, um die Verschiebung in der Artzusammensetzung möglichst realistisch darzustellen. Ein funktioneller Verlust ist nicht nur dadurch behoben, dass eine andere Art die ökologische Nische der betroffenen Art besetzt, sondern weitere Faktoren sollten berücksichtigt werden: Ändert sich der Nährwert für Fraßfeinde wie etwa Zooplankton? Werden Kohlenstoff und Nährstoffe mehr oder weniger aus den für Primärproduzenten relevanten Meerestiefen exportiert? Darüber hinaus hat ein ‚Ersetzen‘ eines Organismus durch einen anderen immer einen negativen Effekt auf die Biodiversität und damit die Resilienz des Ökosystems gegenüber weiteren Stressoren wie Ozeanversauerung und Verschmutzung.“

„Der Datensatz über die Abundanz von Prochlorococcus, auf dem diese Studie basiert, ist sehr umfangreich mit Daten aus 90 Forschungsfahrten im globalen Ozean. Die Daten wurden durch kontinuierliche Messungen in den Oberflächenwassermassen in verschiedenen Ozeanbecken über eine Strecke von etwa 200.000 Kilometern erhoben. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse, dass die Zellteilungsraten von Prochlorococcus nur bis zu einer Temperatur von 28 Grad Celsius zunehmen, danach aber rapide abnehmen, ist durchaus überraschend, da Prochlorococcus speziell in subtropischen und tropischen Regionen der Ozeane häufig sind und – neben Synechococcus – eine der Leitformen des pflanzlichen Planktons in diesen warmen Gebieten darstellen. Die Proben wurden aus einer Tiefe zwischen drei bis acht Metern gewonnen und sind somit repräsentativ für die Oberflächengewässer der Ozeane und die wärmsten Wasserschichten in der ozeanischen Wassersäule.“

„Die Schlussfolgerungen der Autoren, dass bei einem zu erwartenden globalen Temperaturanstieg in den subtropischen und tropischen Regionen der Ozeane die Prochlorococcus-Populationen abnehmen werden, ist durchaus schlüssig, wenngleich – wie auch in der Studie beschrieben – sich das Verbreitungsgebiet von Prochlorococcus polwärts verschieben wird. Synechococcus hat eine ähnliche Verbreitung wie Prochlorococcus, allerdings offenbar eine Anpassung an höhere Temperaturen und ist daher nicht ab 28 Grad Celsius in ihrem Wachstum limitiert. Es ist daher anzunehmen, dass Synechococcus in ihrer Abundanz zunimmt unter den verschiedenen Szenarien der Temperaturentwicklung in den Oberflächengewässer der tropischen und subtropischen Ozeane bis zum Jahr 2100. Somit ist es wahrscheinlich, dass die Verringerung der Primärproduktion von Prochlorococcus Großteils durch Synechococcus kompensiert wird, wie auch die Autoren vermuten.“

„Marines Phytoplankton macht nur etwa ein Prozent der globalen pflanzlichen Biomasse an Land und in den Meeren aus, stellt aber etwa 50 Prozent der globalen pflanzlichen Produktion. Die marine Pflanzenbiomasse besteht überwiegend aus rasch wachsenden einzelligen Organismen, die sich etwa jeden zweiten Tag in ihrer Biomasse verdoppeln würden, wenn sie nicht in etwa im gleichen Ausmaß beweidet werden würden. An Land besteht die Pflanzenbiomasse hauptsächlich aus vielzelligen, langsam wachsenden Organismen – etwa Gräsern, Büschen und Bäumen.“

„Jede Änderung an der Basis des Nahrungsnetzes, wie zum Beispiel durch den Anstieg der Temperatur in den Oberflächengewässer der Ozeane und dem verminderten Wachstum von Prochlorococcus, kann auch eine Kaskade an Änderungen in den höheren Niveaus im Nahrungsnetz bedingen. Allerdings kann das verringerte Wachstum von Prochlorococcus in den tropischen und subtropischen Regionen des Ozeans durch Synechoccoccus ausgeglichen werden, sodass die Änderung im Nahrungsnetz wahrscheinlich nicht so stark ausgeprägt sein werden. Dies auch deshalb, weil Synechococcus nur unwesentlich größer ist als Prochlorococcus. Die zu erwartenden Veränderungen im marinen Nahrungsnetz in den subtropischen und tropischen Regionen sind wahrscheinlich dominiert von einer stärkeren thermischen Schichtung in der Wassersäule, was zu einer Minderung der Effizienz der Kohlenstoffpumpe führt. Das heißt, zu einer Verringerung des Transportes von organischem Material, das aus dem sonnendurchfluteten Oberflächenwasser in die Tiefe sinkt und eine Reduktion des anorganischen Nährstofftransportes aus den Tiefen in die Oberflächengewässer. Diese stärkere thermische Schichtung der Wassersäule in diesen Regionen wird zu einer generellen Reduktion der Primärproduktion, also der Produktion von pflanzlicher Biomasse in den tropischen und subtropischen Regionen der Meere führen. Diese Regionen werden also in Zukunft weniger produktiv werden.“