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1 Mit den Meeren leben – ein Bericht über den Zustand der Weltmeere

Ozeanversauerung

Die Folgen der Ozeanversauerung

> Der Klimawandel wird nicht nur zur Erwärmung der Atmosphäre und des Wassers, sondern auch zur Versauerung der Ozeane führen. Welche Konsequenzen das für die marinen Organismen und Lebensgemeinschaften letztlich haben wird, lässt sich aber noch nicht sicher abschätzen, denn bislang wurden nur wenige Spezies untersucht. Dafür bedarf es zunächst ausführlicher Langzeitstudien an einer Vielzahl von Organismen.

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Der pH-Wert Der pH-Wert ist ein Maß für die Menge an Säuren und Basen in einer Lösung. Er gibt also an, wie sauer beziehungsweise basisch eine Flüssigkeit ist. Die pH-Skala reicht dabei von 0 (sehr sauer) bis 14 (sehr basisch). Je nach Stärke gibt die Säure unterschiedlich stark Protonen (H+) ab, die den pH-Wert beeinflussen. In der Praxis gilt: Je höher die Protonen-Konzentration, desto saurer ist eine Flüssigkeit und desto kleiner ist ihr pH-Wert.

Wie der Klimawandel die Ozeane versauern lässt

Kohlendioxid ist ein bestimmender Faktor unseres Klimas und trägt als Treibhausgas maßgeblich zur Erwärmung der Erdatmosphäre und damit auch des Ozeans bei. Im Verlauf der Erdgeschichte veränderte sich das globale Klima mehrfach drastisch. Diese Veränderungen waren zum Teil mit natürlichen Schwankungen des CO2-Gehalts in der Atmosphäre verbunden, beispielsweise beim Übergang von Eiszeiten zu interglazialen Perioden, wärmeren Phasen während längerer Eiszeitalter. Der seit dem Beginn der Industrialisierung beobachtete massive Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration um circa 30 Prozent ist hingegen anthropogenen Ursprungs, also vom Menschen verursacht. Die größten CO2-Quellen sind die Verbrennung der fossilen Rohstoffe Erdgas, Erdöl und Kohle sowie die Veränderung der Landnutzung – das Abholzen von Wäldern, das Trockenlegen von Sümpfen und die Ausdehnung von Landwirtschaftsflächen. Inzwischen liegt der CO2-Gehalt der Atmosphäre bereits bei knapp 390 ppm (parts per million). Zu vorindustriellen Zeiten betrug er gerade einmal 280 ppm. Mehr noch: Schätzungen von Klimaforschern gehen derzeit mindestens von einer Verdopplung des aktuellen Wertes bis zum Ende dieses Jahrhunderts aus. Diese Zunahme wird nicht nur zu einem weiteren Aufheizen der Erde führen. Sie zieht einen zweiten Effekt nach sich, der erst in jüngster Zeit ins Blickfeld der Öffentlichkeit gerückt ist: die Versauerung der Weltmeere.
Zwischen Luft und Ozean findet ein permanenter Gasaustausch statt. Steigt in der Atmosphäre der CO2-Gehalt, nimmt die Konzentration des Gases auch in den oberflächennahen Schichten der Weltmeere entsprechend zu. Das gelöste CO2 reagiert zu einem gewissen Teil zu Kohlensäure. Bei dieser Reaktion werden Protonen frei, was zu einer Versauerung des Seewassers führt. Der pH-Wert sinkt. Inzwischen konnte nachgewiesen werden, dass der pH-Wert des Meerwassers parallel zum CO2-Anstieg in der Atmosphäre tatsächlich im Mittel bereits um 0,1 Einheiten zurückgegangen ist. Dieser Wert könnte, je nach Entwicklung der CO2-Emissionen, bis zum Ende unseres Jahrhunderts um weitere 0,3 bis 0,4 Einheiten sinken. Das klingt zunächst vernachlässigbar klein. Tatsächlich aber entspricht dieser Wert einer Zunahme der Protonenkonzentration um 100 bis 150 Prozent.

Der Einfluss des pH-Werts auf den Stoffwechsel von Meeresorganismen

Der aktuell beobachtete Anstieg des CO2-Gehalts der Ozeane ist, was Ausmaß und Geschwindigkeit betrifft, in der Evolutionsgeschichte der letzten rund 20 Millionen Jahre einmalig. Daher ist derzeit noch völlig unklar, inwieweit sich die marine Fauna auf Dauer daran anpassen kann. Immerhin beeinträchtigen die niedrigen pH-Werte im Seewasser den Kalkbildungsprozess, der für viele, vor allem wirbellose Meeresbewohner mit Kalkpanzer wie etwa Muscheln, Korallen oder Seeigel lebenswichtig ist. Im Organismus der betroffenen Tiere spielen sich ähnliche Vorgänge wie bei der Lösung von CO2 im Meerwasser ab. CO2 wandert als Gas ungehindert durch Zellmembranen und verursacht eine pH-Absenkung in den Kör­­­perzellen und im Blut beziehungsweise der mit Blut vergleichbaren Hämolymphe mancher Tierarten. Der Organismus muss diese Störung seines natürlichen Säure-Base-Haushalts kompensieren, was den einzelnen Tierarten besser oder schlechter gelingt. Letztlich kommt es dabei auf die genetisch bedingte Leistungsfähigkeit verschiedener Mechanismen zur pH- und Ionenregulation an, die je nach Tiergruppe und Lebensstil unterschiedlich ausgeprägt ist. Ab einem gewissen artspezifischen Grenzwert kommt es aber trotz der verstärkten Regulationsbemühungen des Organismus zu dauerhaften Verschiebungen der Säure-Base-Parameter in Geweben und Körperflüs­sigkeiten. Dies wiederum kann das Wachstum oder die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen und damit im schlimmsten Fall sogar das Überleben einer Art in ihrem Lebensraum gefährden.

Zusatzinfo Wenn die Kalkbildung aus dem Gleichgewicht kommt

Der pH-Wert der Körperflüssigkeiten beeinflusst viele biochemische Reaktionen im Organismus. Daher versuchen alle Lebewesen, die Schwankungen des pH-Werts in einem für sie verträglichen Rahmen zu halten. Um eine durch CO2 verursachte Ansäuerung auszugleichen, hat der Organismus zwei Möglichkeiten: Er muss entweder verstärkt überschüssige Protonen ausscheiden oder Puffersubstanzen wie etwa Bikarbonationen aufnehmen, die Protonen binden. Die meisten Meerestiere nutzen für die dazu notwendigen Ionenregulationsprozesse eigens ausgebildete Epithelien, spezielle Gewebe, die Körperhöhlen, Blutgefäße oder beispielsweise die Kiemen und den Darm auskleiden.
2.6 > Anhand von Eiskernen wollen Experten herausfinden, welche Organismen im Eis leben. In anderen Fällen geben in antarktische Eiskerne eingeschlossene Luftblasen Auskunft über den Gehalt von Spurengasen in der früheren Atmosphäre und das Klima der Vergangenheit. Die Eiskerne müssen dazu mit starken Geräten aus dem Eis gebohrt werden. Zur genaueren Untersuchung werden sie dann im Labor zersägt. Betrachtet man Eiskristalle unter speziellem, polarisiertem Licht, zeigt sich ihre Struktur im Detail in schillernden Farben
2.6 > Anhand von Eiskernen wollen Experten herausfinden, welche Organismen im Eis leben. In anderen Fällen geben in antarktische Eiskerne eingeschlossene Luftblasen Auskunft über den Gehalt von Spurengasen in der früheren Atmosphäre und das Klima der Vergangenheit. Die Eiskerne müssen dazu mit starken Geräten aus dem Eis gebohrt werden. Zur genaueren Untersuchung werden sie dann im Labor zersägt. Betrachtet man Eiskristalle unter speziellem, polarisiertem Licht, zeigt sich ihre Struktur im Detail in schillernden Farben Abb. 2.6: oben: © Martin Hartley/eyevine/interTOPICS; links: © mauritius images; Mitte: © Carmen Jaspersen/picturealliance/dpa; rechts: © Cliff Leight/Aurora Photos
Die Ionentransportsysteme der Säure-Base-Regulation sind nicht bei allen marinen Tiergruppen gleich effektiv. So sind Meeresorganismen offenbar immer dann recht CO2-tolerant, wenn sie große Mengen an Bikarbonationen speichern können, die die freien Protonen binden und so den pH-Wert stabilisieren. Diese Organismen sind in der Regel auch in der Lage, Protonen besonders gut auszuscheiden. Besonders CO2-tolerant sind deshalb mobile und aktive Tierarten wie etwa Fische, bestimmte Krebstiere oder Cephalopoden – Kopffüßer wie beispielsweise Tintenfische, deren Stoffwechselraten in Anpassung an ihren Lebensstil stark schwanken und sehr hohe Werte erreichen können. Die Sauerstoffverbrauchsraten (ein Maß für die Stoffwechselrate) solcher aktiven Tiergruppen können um Größenordnungen über denen von Seeigeln, Seesternen oder Muscheln liegen. Da bei exzessiver Muskeltätigkeit im Energiestoffwechsel große Mengen CO2 und Protonen anfallen, verfügen die besonders aktiven Tiere in der Regel auch über ein leistungsfähiges System zur Protonenausscheidung und zur Säure-Base-Regulation. Solche Arten können damit auch Störungen ihres Säure-Base-Haushalts besser ausgleichen, die durch eine Versauerung des Wassers verursacht werden. Benthische Invertebraten (auf dem Meeresboden lebende Wirbellose) mit eingeschränktem Bewegungsradius wie etwa Muscheln, Seesterne, Seeigel oder Würmer können in ihren Körperflüssigkeiten kaum pufferndes Bikarbonat akkumulieren, um das Zuviel an Protonen und die Versauerung auszugleichen. Langzeitversuche zeigen, dass einige dieser Arten unter sauren Bedingungen langsamer wachsen. Eine Ursache für verringertes Wachstum könnte ein natürlicher Schutzmechanismus mancher wirbelloser Tierarten sein: In Stresssituationen, etwa beim Trockenfallen während der Ebbe, reduzieren diese Organismen ihre Stoffwechselrate. Unter natürlichen Bedingungen ist das eine sehr effektive Schutzstrategie, die das Überleben in zeitlich begrenzten Stresssituationen sichert. Sind die Tiere aber unter lang anhaltendem CO2-Stress, gerät den sesshaften Tieren dieser Schutzmechanismus zum Nachteil. Bei langfristig erhöhten CO2-Gehalten im Meerwasser führt das energiesparende Verhalten und die Drosselung des Stoffwechsels nämlich zwangsläufig zu eingeschränktem Wachstum, geringerer Aktivität und damit insgesamt zu einer verminderten Konkurrenzfähigkeit innerhalb des Ökosystems.
2.9 > Kieselalgen wie diese vom Typ Arachnoidiscus sind eine wichtige Nahrungsgrundlage für höhere Lebewesen. Wie stark sie von einer Versauerung der Meere betroffen sein werden, ist noch ungewiss.
2.9 > Kieselalgen wie diese vom Typ Arachnoidiscus sind eine wichtige Nahrungsgrundlage für höhere Lebewesen. Wie stark sie von einer Versauerung der Meere betroffen sein werden, ist noch ungewiss. © Steve Gschmeissner/Science Photo Library/Agentur Focus
Wie empfindlich eine Spezies auf den Stressor CO2 und die Versauerung der Meere reagiert, lässt sich allerdings nicht ohne Weiteres mit der einfachen Formel: gute Säu­­-re-Base-Regulation = hohe CO2-Toleranz beschreiben. So kommen einige wissenschaftliche Studien zu anderen Ergebnissen. Beispielsweise wurde bei einer Schlangensternart, einem meist im Sediment lebenden Wirbellosen, die Fähigkeit zur Regeneration abgetrennter Arme untersucht. Erstaunlicherweise waren bei Tieren aus saurerem Seewasser mit erhöhtem CO2-Gehalt nicht nur die nachgewachsenen Arme länger, obendrein wies ihr Kalkskelett sogar einen höheren Kalziumkarbonatanteil auf. Der Preis dafür war allerdings ein vermindertes Muskelwachstum. So wird diese Spezies trotz der auf den ersten Blick positiven Befunde durch die Ozeanversauerung offensichtlich beeinträchtigt, da die Tiere nur mit voll funktionsfähigen Armen richtig fressen oder ihre Höhlen im Sediment mit Frischwasser versorgen können.
Selbst Fische können beeinträchtigt werden. Zwar sind die erwachsenen Tiere relativ CO2-tolerant. Die frühen Entwicklungsstadien aber reagieren offenbar durchaus empfindlich auf den Stressor CO2. So wurde bei Larven des Clownfischs eine starke Beeinträchtigung des Geruchssinns in saurem Seewasser mit niedrigem pH-Wert beob­achtet. Normalerweise sind diese Tiere in der Lage, sich aufgrund spezifischer Geruchssignale zu orientieren und auf diese Weise nach der Larvenphase, die sie freischwimmend in der Wassersäule verbringen, ihr späteres ständiges Habitat, ein Korallenriff, zu finden. Im Versuch reagierten beispielsweise Fischlarven, die in Seewasser mit einem um etwa 0,3 Einheiten erniedrigten pH-Wert aufgezogen worden waren, bereits deutlich schlechter auf den sonst sehr anziehend wirkenden Geruch von Seeanemonen, mit denen sie im Riff in Symbiose leben. Treten also während einer kritischen Phase des Lebenszyklus CO2-bedingte Verhaltensänderungen auf, wirkt sich das natürlich stark auf den Reproduktionserfolg der Art aus. Offen bleibt, inwieweit auch andere marine Organismen von derartigen Effekten der Ozeanversauerung betroffen sind. Weitere Untersuchungen an Embryonal- und Jugendstadien verschiedener Arten haben allerdings gezeigt, dass die frühen Phasen im Entwicklungszyklus eines Organismus generell empfindlicher auf CO2-Stress reagieren als das ausgewachsene Tier. >
2.10 > Diese elektronenmikroskopischen Aufnahmen machen deutlich, dass ein erhöhter CO2-Gehalt im Wasser die Kalkbildung von Meeresorganismen, wie hier beispielsweise der Coccolithophoride Emiliana huxleyi, stören und zu Verformungen führen kann. Die oberen Fotografien wurden bei einer CO2-Konzentration im Wasser von 300 ppm aufgenommen, was knapp über dem vorindustriellen durchschnittlichen CO2-Gehalt des Meerwassers liegt. Bei den unteren Aufnahmen beträgt der CO2-Gehalt 780 bis 850 ppm. Zum Größenvergleich: Die Balken entsprechen einer Länge von einem Mikrometer.
2.10 > Diese elektronenmikroskopischen Aufnahmen machen deutlich, dass ein erhöhter CO₂-Gehalt im Wasser die Kalkbildung von Meeresorganismen, wie hier beispielsweise der Coccolithophoride Emiliana huxleyi, stören und zu Verformungen führen kann. Die oberen Fotografien wurden bei einer CO₂-Konzentration im Wasser von 300 ppm aufgenommen, was knapp über dem vorindustriellen durchschnittlichen CO₂-Gehalt des Meerwassers liegt. Bei den unteren Aufnahmen beträgt der CO₂-Gehalt 780 bis 850 ppm. Zum Größenvergleich: Die Balken entsprechen einer Länge von einem Mikrometer. © Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature Publishing Group, U. Riebesell et al., Nature 407, 2000
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