Ein geheimnisvolles Gebiet, das 60 % der Erde bedeckt, verbirgt eine neue Entdeckung in der Ökologie!

Obwohl uns die menschliche Technologie Reisen zum Mars und das Erreichen nahezu aller Oberflächen der Erde ermöglicht hat, ist unser Wissen über die riesigen Ozeane derzeit noch viel geringer.

Können Sie sich vorstellen, dass die Tiefseeebenen 60 % der Erdoberfläche einnehmen, die Menschen aber das Verbreitungsmuster der Organismen dort immer noch nicht ganz verstehen? Die biologischen Gemeinschaften befinden sich hier in einem fragilen Gleichgewichtszustand. Schon eine geringfügige Veränderung der Umwelt kann die biologische Karte von Zehntausenden Quadratkilometern Meeresboden neu schreiben und sogar das Aussterben einer großen Zahl von Organismen verursachen …

Eine aktuelle Studie ermöglicht uns ein neues Verständnis der Unterwasserwelt.

Was für ein Ort ist die Tiefsee?

Der riesige Ozean bedeckt fast 70 % der Erdoberfläche, aber unser Wissen darüber ist immer noch sehr oberflächlich. In vertikaler Richtung umfasst der Ozean Kontinentalschelfe, Kontinentalhänge, Tiefseeebenen, Gräben, Becken, Unterwasserberge, Unterwasserschluchten, Unterwasserberge und andere Geländeformen mit einer maximalen vertikalen Tiefe von 11 Kilometern. Der bekannteste Vergleich ist, dass der Marianengraben tief genug sei, um den Mount Everest aufzunehmen.

Ein typischer Längsschnitt eines Ozeanbeckens, von links nach rechts, von oben nach unten: Kontinentalschelf, Kontinentalhang, Tiefseeebene, Tiefseeberg, Graben, Vulkaninsel (Bildquelle: National Oceanic and Atmospheric Administration)

Allerdings führen gängige Bilder der Meeresstruktur, wie das obige, zu einigen Missverständnissen – die Topographie des Meeresbodens ist oft steil und uneben. Doch in Wirklichkeit ist der Ozean anders. Abgesehen von den meisten Gräbengebieten nimmt die Tiefe des Ozeans langsam ab und die maximale Neigung des Kontinentalhangs beträgt nur etwa 26°. Daher ist im echten Ozean die riesige Tiefseeebene das auffälligste Terrain.

Satellitenfernerkundungsbild des westlichen Atlantikbeckens. Der dunkelblaue Bereich ist das riesige Ozeanbecken (Bildquelle: National Oceanic and Atmospheric Administration)

Als Tiefseeebene bezeichnet man den Meeresboden unterhalb des Fußes des Kontinentalhangs und oberhalb einer Tiefe von 6.000 Metern (Grabengebiet).

Seine Funktionen sind:

1) Es ist riesig und bedeckt 84,7 % der globalen Meeresbodenfläche (fast 60 % der Erdoberfläche).

2) Es ist relativ flach und weist nur geringe Geländeunebenheiten auf. Es kann im Wesentlichen in drei Typen unterteilt werden: Tiefseeebenen (Wellenlänge < 300 Meter), Tiefseehügel (Wellenlänge 300–1.000 Meter) und Tiefseeberge (Wellenlänge > 1.000 Meter).

3) Bedeckt von feinkörnigen Sedimenten wie Schluff, Kieselton usw.

4) Die Biomasse ist gering und die allgemeine Artenvielfalt nicht hoch.

5) Die Temperatur ist niedrig und stabil (0,5–3 °C) und die Strömungsgeschwindigkeit ist sehr gering (0–0,25 m/s).

6) Die Lichtverhältnisse sind sehr schwach.

7) Verlassen Sie sich auf den Eintrag organischer Stoffe aus Oberflächengewässern, um Ihr Ökosystem zu erhalten.

Aufgrund des Mangels an Sonnenlicht sind Tiefseelebewesen hauptsächlich auf „Kuchen im Himmel“ angewiesen, d. h. auf organische Partikel, die sich aus flachen Gewässern absetzen, wodurch die Gesamtenergie der Tiefseeumgebung sehr begrenzt ist. Daher geht man traditionell davon aus, dass die Tiefsee keinen hohen Artenreichtum und keine hohe Biomasse unterstützen kann und dass mit zunehmender Tiefe die Energieversorgung abnimmt und der Artenreichtum immer geringer wird.

Seeteufel sind Vertreter der Tiefseelebewesen. Das Bild zeigt den Langflossen-Anglerfisch (Quelle: Miya et al. 2010. Evolutionary history of anglerfishes (Teleostei: Lophiiformes): a mitogenomic perspective. BMC Evolutionary Biology 10: 58.)

Kurzinfo: Was ist Artenreichtum? Es ist Teil der Biodiversität, die jede Ebene von der Mikro- bis zur Makroebene umfasst, einschließlich der genetischen Vielfalt, der Artenvielfalt und der ökologischen Umweltvielfalt.

Allerdings zeigen neueste Forschungsergebnisse, dass die Tiefsee möglicherweise doch nicht so einsam ist, wie wir bisher dachten. Obwohl die Biomasse im Vergleich zu anderen Meeresumgebungen nicht hoch ist, weist die Tiefsee dennoch einen hohen Artenreichtum auf.

Darüber hinaus sind Tiefseelebensräume ein wichtiges Bindeglied im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie gelten als Reservoir der marinen Biodiversität und erbringen wichtige Leistungen für das gesamte marine Ökosystem.

Gleichzeitig ist die Tiefsee auch ein Gebiet, das reich an polymetallischen Knollen, Sulfiden und anderen Mineralien ist und daher auch ein Schlüsselgebiet für die Ausbeutung mariner Mineralressourcen darstellt.

Manganknollen, Quelle: Koelle auf de.wikipedia

Wenn wir die Eigenschaften der Tiefsee in fünf Worten zusammenfassen würden, wären das: stabil, aber zerbrechlich. Allerdings ist unser Wissen über die biogeografischen Verbreitungsmuster dieser größten biologischen Gemeinschaft der Erde noch sehr begrenzt und es ist zwingend erforderlich, unser makroökologisches Verständnis der Tiefseelebensräume zu verbessern.

In der Tiefsee sind die Lebewesen in zwei große "Fraktionen" unterteilt

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Ecology & Evolution veröffentlichte Studie hat erstmals die biogeografische Verteilung von Tiefseeorganismen auf regionaler Ebene dargestellt und damit einen wichtigen Schritt zur Aufklärung der Geheimnisse dieses unbekannten Gebiets getan.

Die Forschung wurde von Wissenschaftlern aus Großbritannien, Deutschland, Portugal, Südkorea und anderen Ländern durchgeführt. Der Untersuchungsort befand sich in der Clarion-Clipperton-Zone im nordöstlichen Pazifik und erstreckte sich über ein riesiges Tiefseegebiet von 5.000 Kilometern.

Untersuchungsgebiet (Bildquelle: Referenz 1)

Die größten Herausforderungen für die makroökologische Tiefseeforschung sind der Mangel an biologischen Daten und die fehlende Standardisierung der Methodik und Taxonomie. Die Forscher integrierten und analysierten Bilddaten von 28 Standorten im nordöstlichen Pazifik, um den größten Datensatz zur Biodiversität der Tiefsee zu erhalten. Er enthält mehr als 50.000 große Tierexemplare mit einer Größe von über 10 mm und erstreckt sich über 13 Stämme. Durch eine detaillierte Analyse dieser Daten gelangten die Forscher zu drei wesentlichen Schlussfolgerungen, die sich von der Vergangenheit unterscheiden:

Schlussfolgerung 1:

Tiefseelebewesen sind nicht monolithisch

Die Studie ergab, dass es in der Tiefseewelt der Clarion-Clipperton-Zone zwei völlig unterschiedliche biologische Ansammlungen gibt . Bei der einen handelt es sich um eine biologische Ansammlung, die in einer relativ flachen Schicht in einer Tiefe von 3.800 bis 4.300 Metern verteilt ist, bei der anderen handelt es sich um eine biologische Ansammlung, die in einer relativ tiefen Schicht in einer Tiefe von 4.800 bis 5.300 Metern verteilt ist. Zwischen diesen beiden biologischen Ansammlungen gibt es eine Übergangszone von 4300 bis 4800 Metern.

Zwei biologische Ansammlungen in der Tiefsee und eine Übergangszone, die von Forschern in der Clarion-Clipperton-Zone entdeckt wurden (Bildquelle: Referenz 1)

Was ist eine Bioassemblage? Darunter kann die Zusammensetzung der biologischen Gemeinschaft verstanden werden, die in einem bestimmten Gebiet lebt.

Welche Merkmale haben Organismen in flachen Ansammlungen? Die Studie ergab, dass Weichkorallen und Schlangensterne (eine Klasse aus dem Stamm der Stachelhäuter) die Hauptlebewesen in diesem Gebiet sind . In flachen Gebieten gibt es bis zu 2.500 Weichkorallen pro Quadratkilometer, was sie zu den Superstars dieser Gegend macht. Die Anzahl der Serpentinen beträgt bis zu 2.000 pro Quadratkilometer, was immer noch als Kreatur auf Superstar-Niveau bezeichnet werden kann. Diese Weichkorallen und Schlangensterne sind wie große Bäume im Wald und nehmen eine wichtige Stellung im regionalen Ökosystem ein.

Eine Weichkoralle, Isidella tentaculum (oben), und ein Olivin, Ophiocoma erinaceus (unten). (Bildnachweis: NOAA, Maéva Bovio)

Die ökologische Bühne im Tiefenbereich hat offensichtlich ihre Besatzung gewechselt. Die Zahl der Weichkorallen und Schlangensterne ist stark zurückgegangen und beträgt nur noch etwa 100 pro Quadratkilometer. An ihrer Stelle sind zwei neue Superstars: Seeanemonen und Seegurken. Seeanemonen sehen aus wie fleischige Münder, die aufrecht auf dem Meeresboden stehen. Sie benötigen keine Skelettunterstützung und sind besser für das Leben in Tiefseeumgebungen geeignet, in denen es an Nahrung und Kalzium mangelt. Die Zahl der Seeanemonen kann bis zu 1.500 pro Quadratkilometer betragen, und auch die Zahl der Seegurken ist beträchtlich, nämlich etwa 500.

Eine Seeanemone, Actinoscyphia_aurelia (oben), und eine Seegurke, Chiridota heheva (unten) (Bildquelle: National Oceanic and Atmospheric Administration, Aquapix und Expedition to the Deep Slope 2007)

Warum gibt es in der biologischen Zusammensetzung in unterschiedlichen Tiefen desselben Gebiets so große Unterschiede? Dies lässt sich nur schwer mit der traditionellen Theorie der organischen Materiepartikel und der Breitengradänderungen erklären, und die genauen Gründe werden hier nicht erörtert. Schauen wir uns die zweite Schlussfolgerung der Forscher an.

Schlussfolgerung 2:

Die Tiefe hat zugenommen, die Artenzahl jedoch nicht abgenommen

Die Studie ergab, dass die Gesamtzahl der Arten (Artenreichtum) auf einem ähnlichen Niveau blieb, obwohl es Unterschiede in den biologischen Zusammensetzungen in unterschiedlichen Tiefen gab. Dies weicht von der bisherigen Annahme ab, dass mit abnehmenden Nährstoffen auch die Artenvielfalt in der Tiefsee abnimmt.

Die Studie befasst sich hauptsächlich mit der Artenvielfalt auf Phylumebene, die vereinfacht als die Gesamtzahl der Arten verstanden werden kann, die in einem Gebiet vorkommen . Wenn es beispielsweise in einem See 10 Fischarten, 5 Garnelenarten und 3 Schalentierarten gibt, dann beträgt der Artenreichtum des Sees 10+5+3=18 Arten.

Früher glaubte man, dass Ressourcen wie Sonnenlicht und Nahrung mit zunehmender Entfernung von der Meeresoberfläche abnehmen und auch die Zahl der Arten, die die Tiefsee unterstützen kann, sinkt. Doch die neue Studie ergab, dass die Artenzahl in beiden Gebieten trotz der unterschiedlichen biologischen Zusammensetzungen in 4.000 und 5.000 Metern Höhe immer noch ähnlich war und bei etwa 50 bis 60 lag.

Wie aus der Abbildung ersichtlich, nimmt mit zunehmender Tiefe (horizontale Achse) der Artenreichtum (vertikale Achse) auf höheren taxonomischen Ebenen nicht ab, sondern sogar zu (Bildquelle: Referenz 1).

Wie wird dies erreicht? Forscher glauben, dass es zwei Hauptwege gibt:

1) Artenaustausch zwischen verschiedenen Kategorien

In den flachen Bereichen gibt es viele Weichkorallen und Schlangensterne, in den tieferen Bereichen nimmt ihre Zahl jedoch ab und wird durch Anemonen und Seegurken ersetzt. Aus der Perspektive großer taxonomischer Einheiten ist die Gesamtzahl der Arten zwar unterschiedlich, die biologischen Kombinationen sind jedoch ähnlich.

2) Die Artenverteilung ist gleichmäßiger

In flachen Gebieten gibt es einige dominante Populationen mit großer Anzahl, während in tiefen Gebieten die Populationsunterschiede zwischen den verschiedenen Populationen geringer und gleichmäßiger sind. So machen beispielsweise im relativ flachen 4.000-Meter-Gebiet die zehn häufigsten Arten 60 % der Gesamtmenge aus, während in Gebieten, die tiefer als 4.800 Meter liegen, die zehn zahlreichsten Arten nur 40 % ausmachen. Dies bedeutet, dass die Artenverteilung in tieferen Bereichen gleichmäßiger ist.

Einfach ausgedrückt: In der Tiefsee ist es zu einer „Arbeitsplatzanpassung und -rekrutierung“ gekommen, bei der Organismen unterschiedlicher Kategorien und Populationen zusammengeführt wurden, um den Artenreichtum aufrechtzuerhalten.

Jetzt ist es an der Zeit, das Rätsel zu lösen: Was sind die Gründe für die Veränderungen in der biologischen Zusammensetzung und die Erhaltung der Vielfalt? Forscher glauben, dass dies mit einem wichtigen Umweltfaktor im Ozean zusammenhängen könnte, nämlich der Calciumcarbonat-Kompensationstiefe (CCD).

Was ist CCD? Konzepte, die die Verteilung der Tiefseebiodiversität bestimmen

CCD ist die Abkürzung für Carbonate Compensation Depth, was auf Chinesisch Calciumcarbonat-Kompensationstiefe heißt. Es bezieht sich auf die Tiefe, in der sich Calciumcarbonat im Meerwasser nicht mehr absetzt und ausfällt.

Zunächst einmal müssen wir wissen, dass der Ozean ein riesiges Reservoir chemischer Substanzen ist. Im Meerwasser sind verschiedene Ionen und Verbindungen gelöst, beispielsweise Ionen von Metallelementen wie Kalzium, Magnesium, Natrium, Eisen sowie Sulfationen, Chloridionen usw.

Hierzu zählen Calciumionen und Carbonationen. Im Meerwasser verbinden sich die beiden zu Calciumcarbonat. Calciumcarbonat ist ein Hauptbestandteil der Skelette und Schalen vieler Meeresorganismen und für viele Organismen unverzichtbar.

Das Vorkommen von Calciumcarbonat im Meerwasser ist ein dynamischer Gleichgewichtsprozess, bei dem es zur Auflösung und Ausfällung kommt. Das Calciumcarbonat im flachen Meerwasser ist relativ gesättigt und kann ausfallen und biologische Skelette bilden. Doch mit zunehmender Tiefe, steigendem Druck und sinkender Temperatur steigt die Kohlendioxidkonzentration im Meerwasser.

Wenn die Tiefe einen kritischen Punkt erreicht und der Kohlendioxidgehalt hoch genug ist, kann sich Calciumcarbonat nur schwer aus dem Meerwasser absetzen und löst sich weiter auf. Dieser kritische Tiefenpunkt ist die Kalziumkarbonat-Kompensationstiefe.

CCD-Schema von Paul Webb

Unterhalb dieser Tiefe löst Meerwasser Kalziumkarbonat eher auf, als dass es es ausfällt. Daher ist die Bildung von Kalziumkarbonatskeletten schwierig, was für Organismen, die auf Kalziumschalen angewiesen sind, eine enorme Umweltbelastung darstellt.

Die Kalziumkarbonat-Kompensationstiefe wird zu einem Schnittpunkt der Ozeanchemie und der Lebensaktivitäten, der sich auf das Kohlenstoffkreislaufgleichgewicht und die biogeografische Verteilung im Ozean auswirkt. In der Clarion-Clipperton-Zone liegt das CCD im Tiefenbereich von 4400–4800 m.

Kommt Ihnen diese Nummer bekannt vor? Das stimmt, es handelt sich genau um den von den Forschern entdeckten Tiefenbereich der biologischen Übergangszone der Tiefsee. Mit anderen Worten: Die Trennlinie zwischen CCD und biologischen Ansammlungen in der Tiefsee verläuft nahezu deckungsgleich. Ist das ein Zufall?

Eine Kalziumschale ist für Weichtiere ein Luxus und ihre Erhaltung erfordert viel Energie. Wenn daher die Tiefe der Kalziumkarbonatkompensation verloren geht und die Tiere mit Kalkschalen untergehen, werden sie nach und nach durch Weichtiere ersetzt, was eine Optimierung der Überlebensstrategie darstellt.

In der flachen Tiefsee gibt es aufgrund der relativ höheren Nahrungszufuhr einige Populationen, deren Anzahl deutlich höher ist als die anderer Populationen, während in der tiefen Tiefsee die Artenzahl gleichmäßiger verteilt ist.

Wir wissen, dass die Biodiversität unter anderem von der Größe des geografischen Verbreitungsgebiets und der Spannweite des Umweltgradienten beeinflusst wird. Auch die Faktoren, die die Diversitätsmuster dominieren, variieren auf unterschiedlichen Ebenen. In einem so großen Gebiet wie der Clarion-Clipperton-Zone sind die Umweltbedingungen wie Temperatur und Salzgehalt relativ stabil, und Änderungen in der Kalziumkarbonat-Kompensationstiefe werden zu einem Schlüsselfaktor für die Verteilung der Artenvielfalt. Im kleineren Maßstab spielen Veränderungen der Nährstoffzufuhr in der traditionellen Theorie eine wichtige Rolle.

Sind Schalentiere auf dem Meeresboden durch den Klimawandel in Gefahr?

Diese bahnbrechende Studie zeichnet nicht nur ein neues Bild der biogeografischen Verteilung von Tiefseeorganismen, sondern legt auch nahe, dass Tiefsee-Ökosysteme komplexer sein könnten, als wir dachten. Calciumcarbonat gleicht scheinbar subtile Umweltveränderungen wie die Tiefe aus, kann jedoch die Grenzen von Organismen in riesigen Tiefseegebieten definieren.

Heute führt der globale Klimawandel zur Versauerung der Meere. Das bedeutet, dass mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre vom Meer absorbiert wird, wodurch der pH-Wert des Meerwassers sinkt und Calciumcarbonat im Meerwasser besser löslich wird. Dies bedeutet, dass der CCD flacher werden kann und die Tiefe, in der sich Calciumcarbonat aufzulösen beginnt, geringer wird.

Wenn der CCD um Dutzende von Metern flacher wird, kann sich angesichts der enormen Fläche und des sanften Gefälles der Tiefsee möglicherweise eine riesige „Untiefe“ in der Tiefsee bilden. Für viele Tiefseelebewesen, die auf Schalen und Skelette aus Kalziumkarbonat angewiesen sind, ist dieser „Sandstrand“ gleichbedeutend mit einem „Todesland“. Wenn sie in der Umwelt nicht überleben können, führen sie zum Aussterben. Dies würde zu tiefgreifenden Veränderungen in der Struktur und Zusammensetzung der gesamten Tiefseebiosphäre führen.

Die Ausbeutung der Bodenschätze der Tiefsee steht derzeit kurz vor dem Start. Wenn erst einmal großflächig in die Tiefsee eingegriffen wird, könnten die Auswirkungen unsere Vorstellungskraft weit übersteigen. Man stelle sich vor, dass eine Veränderung der Tiefe um nur wenige Dutzend Meter durch Kalziumkarbonat-Kompensation die Meeresbodenumwelt von Zehntausenden Quadratkilometern verändern könnte, was zu Veränderungen in der Biota und Populationsverteilung führen würde. Dies entspricht dem Umstoßen eines Berges durch eine Veränderung der Dicke eines Blattes Papier.

Unser Verständnis der Tiefsee ist noch sehr begrenzt, aber diese Forschung reicht aus, um uns bewusst zu machen, dass wir ein komplexes, vernetztes und hochsensibles Ökosystem verändern. Angesichts der Unsicherheiten, die der Tiefseebergbau mit sich bringt, müssen wir bescheiden und vorsichtig bleiben.

Wie Tagore sagte: „Der Gesang des Meeres ist so sanft, er braucht keine Sprache und sucht kein Echo.“ Wie können wir voreilig handeln, wenn wir die Sprache der Tiefsee nicht verstehen?

Hauptreferenzen:

[1].Simon-Lledó, E., Amon, DJ, Bribiesca-Contreras, G. et al. Die Karbonatkompensationstiefe bestimmt die abyssale Biogeographie im Nordostpazifik. Nat Ecol Evol (2023).

[2].PT Harris, M. Macmillan-Lawler, J. Rupp, EK Baker, Geomorphologie der Ozeane, Marine Geology, Band 352, 2014.

Autor: Zhang Zhao

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