Wie können die Korallenriffe in den heutigen Ozeanen geschützt werden? ——Inspiration von riffbildenden Korallen vor 330 Millionen Jahren

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yao Le und Liu Yun (Nanjing Institut für Geologie und Paläontologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Korallenriffe spielen in der globalen Meeresumwelt eine wichtige Rolle. Sie sind das größte Ökosystem im Ozean und werden als „tropischer Regenwald“ des Ozeans bezeichnet (Bouchet, 2006). Korallenriffe bieten Meerestieren Schutz und sind von etwa 100.000 Arten bewohnt (Reaka-Kudla, 1997; Plaisance et al., 2011). Darüber hinaus stellen die an Korallenriffen haftenden Organismen auch Nahrungs- und Arzneimittelressourcen für den Menschen dar. Das Leben von mehr als 100 Ländern und mehr als 450 Millionen Menschen auf der Erde ist eng mit Korallenriffen verbunden (Pandolfi et al., 2011).

Allerdings ist der aktuelle Überlebensstatus der Meereskorallenriffe nicht rosig. Wie können Menschen die zunehmend zerstörten Korallenriffe schützen? Wissenschaftler haben die Antwort bei riffbildenden Korallen gefunden, die vor 330 Millionen Jahren lebten.

Aktueller Status der marinen Korallenriffe

In den letzten Jahren haben die globale Erwärmung und menschliche Aktivitäten zu erhöhten Niederschlägen, einem beschleunigten Abschmelzen der Landgletscher, verstärkter chemischer Verwitterung an Land und einem erhöhten Nährstoffeintrag in die Ozeane geführt, was wiederum zur Eutrophierung des Meerwassers, erhöhter Trübung und verstärkter Hypoxie und Versauerung geführt hat, was wiederum das Absterben der riffbildenden Korallen im Meer und den Zusammenbruch der Korallenriffsysteme zur Folge hatte.

Neben der vom Menschen verursachten Verschmutzung der Meeresumwelt hat auch der natürliche Faktor des Eintrags von Abfällen vom Festland schwerwiegende Auswirkungen auf die Korallenriffe im Meer, was häufig mit dem Absterben oder morphologischen Veränderungen der riffbildenden Korallen einhergeht.

Unter terrigenem Schutt versteht man Schuttmaterial, das durch die Verwitterung von Gestein an Land entsteht, wie etwa Sand und Ton. Seine Zusammensetzung ist relativ komplex und wird hauptsächlich durch die Anreicherung von Silizium (Si) und Aluminium (Al) geprägt. Unter dem Einfluss von Faktoren wie Niederschlägen und blühenden Pflanzen hat sich die terrestrische Verwitterung verstärkt und der Eintrag von terrigenem Schutt hat weiter zugenommen, was zu einer Erhöhung des Nährstoffgehalts im Ozean geführt hat. Obwohl auch aktuelle anthropogene Emissionen zu einer Eutrophierung des Meerwassers führen können, lässt sich dieser Effekt nicht in geologischen Zeiträumen widerspiegeln, während die Auswirkungen des Eintrags terrigener Abfälle schon lange bestehen und sich über die Antike bis in die Neuzeit erstrecken.

Abbildung 1. Beziehungen zwischen dem Eintrag terrigenen Schutts und riffbildenden Korallen in Südostasien und Australien

(Bildquelle: McLaughlin et al., 2003)

Entwicklung der Korallenriffe im Laufe der Erdgeschichte

In der Erdgeschichte kam es zu einem erhöhten Eintrag von terrigenem Schutt, doch wie riffbildende Korallen auf diesen Eintrag reagieren, ist noch unklar. Bei den sogenannten riffbildenden Korallen handelt es sich um Korallen, die sich auf dem Kontinentalschelf des Ozeans entwickeln und vor Ort wachsen können. Sie können Korallengerüstfelsen mit positiven Hebungsformen auf dem Meeresboden bilden, bei denen es sich um Korallenriffe handelt.

Während des mittleren und späten Mississippiums (Vessium-Serpuchowium) blühten Landpflanzen und es kam zu einer bedeutenden herzynischen Orogenese. Zusammen führten diese beiden Faktoren zu einer Intensivierung der chemischen Verwitterung auf der Erde und zu einem Anstieg des Eintrags von terrigenem Schutt und Nährstoffen, was wiederum zu einer starken Abkühlung des globalen Klimas und einem Absinken des Meeresspiegels führte.

Die spätpaläozoische Eiszeit war die längste Eiszeit im Phanerozoikum. Sie bestand aus einer Reihe mehrteiliger Eis- und Zwischeneiszeiten und war durch die Entwicklung von Gletscherablagerungen auf dem Kontinent Gondwana in der südlichen Hemisphäre gekennzeichnet. Jüngste Forschungsergebnisse haben ergeben, dass die Sauerstoffisotope der Schalen der Brachiopoden im späten Visium (Übergang vom Asbischen zum Brigantianischen Zeitalter) eine signifikante positive Abweichung aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass die Temperatur des Urmeeres in dieser Zeit deutlich sank, was den Beginn der Hauptepisode der spätpaläozoischen Eiszeit darstellen könnte. Gleichzeitig sind marine Korallenriffsysteme zusammengebrochen, was mit einem Rückgang der benthischen Artenvielfalt einherging (Yao et al., 2022).

Daher kann die Untersuchung der Morphologie und Größe riffbildender Korallen im mittleren und späten Mississippium neue Erkenntnisse über die Evolutionstrends riffbildender Korallen unter dem Einfluss terrigener Ablagerungen heute liefern.

Abbildung 2. Diversitätsänderungen und Evolutionsmuster mariner riffbildender Korallen und allgemeiner Organismen während des Mississippiums

(Fotoquelle: Nanjing Institute of Paleontology)

Korallenforschung zur Riffbildung in der Tiefe

Kürzlich haben Yao Le, assoziierter Forscher des Forschungsteams für das Spätpaläozoikum des Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und Lin Wei, wissenschaftlicher Mitarbeiter, mit Markus Aretz, Professor der Universität Toulouse III in Frankreich, David J. Bottjer, Professor der University of Southern California in den USA, und Wang Xiangdong, Professor der Universität Nanjing, zusammengearbeitet, um eine systematische Studie zur Morphologie, Größe und terrigenen Abfallstoffeinträgen riffbildender Korallen im mittleren und späten Mississippium durchzuführen.

Das Forschungsteam zählte die einzelnen Größenparameter (Durchmesser einzelner Skelette, Durchmesser des transversalen Plattenbandes und Anzahl der Trennwände) der weltweit verbreiteten riffbildenden Korallenfossilien Aulina rotiformis und Lithostrotion decipiens im Serpuchowium in vier verschiedenen Sedimentphasenabschnitten in China, nämlich Yashui in Guizhou, Malanbian in Hunan, Wangjiacun in Anhui und Jianshanzi in der Inneren Mongolei. Das Team untersuchte auch den Elementgehalt der riffbildenden Korallen und der umgebenden Felsen. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in den Proceedings of the Royal Society B veröffentlicht.

Die Studie ergab, dass die Korallen im Abschnitt Yashui die größten waren, während die Korallen im Abschnitt Jianshanzi die kleinsten waren. Die Durchmesser der Querplatten von Aulina rotiformis und Lithostrotion decipiens verringerten sich um 31 % bzw. 23 %.

Der Grund dafür, dass die Korallen vom Yashui-Abschnitt bis zum Jianshanzi-Abschnitt allmählich kleiner werden, könnte mit der Zunahme des Eintrags von terrestrischem Schutt zusammenhängen . Der Schutt bedeckt die Oberfläche der Korallenpolypen, was zu ihrem direkten Absterben führen kann oder erfordert, dass sie zusätzliche Energie aufwenden, um den Schutt zu entfernen. Dadurch wird die für das Korallenwachstum bereitgestellte Energie reduziert, was wiederum zur Folge hat, dass die Korallen kleiner werden.

Abbildung 3. Veränderungen im Durchmesser einzelner Kadaver, im Durchmesser der Querplatten und in der Anzahl der Septen der riffbildenden Korallen Lithostrotion decipiens und Aulina rotiformis in verschiedenen Sedimentfazies während des Obermississippiiums

(Fotoquelle: Nanjing Institute of Paleontology)

Die Teammitglieder untersuchten außerdem die Vergrabungseigenschaften der Koralle Lithostrotion decipiens und stellten fest, dass sich der Erhaltungszustand einzelner Lithostrotion decipiens vom Abschnitt Yashui bis zum Abschnitt Wangjiacun allmählich verschlechterte und der Gehalt an terrigenem Schutt (Schlamm und Quarz) in den die Koralle umgebenden Gesteinen allmählich zunahm, begleitet von einer Erhöhung des Gehalts an Silizium (Si), Aluminium (Al) und Phosphor (P). Die Korallen, die die Felsen im Abschnitt Wangjiacun umgeben, enthalten zahlreiche Mikroorganismen und weisen keine Metazoenentwicklung auf.

Die mikrobielle Atmung kann zu Hypoxie und Umweltversauerung führen, was das Korallenwachstum hemmen kann. Kombiniert man das Phänomen der allmählichen Verringerung der Größe einzelner Korallen vom Abschnitt Yashui zum Abschnitt Wangjiacun mit den Veränderungen im Gehalt an Gesteinsschutt, der die Korallen umgibt, kann man feststellen, dass der Eintrag von terrigenem Schutt der Hauptgrund für die Verringerung der Größe einzelner Korallen ist.

Abbildung 4. Mikrofazies- und Elementverteilungseigenschaften der riffbildenden Koralle Lithostrotion decipiens und ihrer umgebenden Gesteine ​​in verschiedenen Sedimentfaziesabschnitten des Oberen Mississippiums

(Fotoquelle: Nanjing Institute of Paleontology)

Darüber hinaus zeigen die Forschungsergebnisse auch, dass im Serpuchowium, also von der offenen Flachwasserkarbonatphase der Südchinesischen Platte, der Übergangsphase von karbonatisch-klastischem Gestein zur Flachwasserphase von klastischem Gestein, die Anzahl der riffbildenden Korallen allmählich abnahm, während der Gehalt an Si-, Al- und P-Elementen in den die Korallen umgebenden Gesteinen deutlich zunahm.

Auf der Grundlage der individuellen Größendaten der riffbildenden Korallen Lithostrotion decipiens und Siphonodendron pauciradiale aus dem mittleren bis späten Mississippium in China, Westeuropa und Nordafrika kann langfristig festgestellt werden , dass die Anzahl der riffbildenden Korallen im späten Visium (Übergang vom Asbischen zum Brigantianischen) signifikant abnahm. Dies steht im Einklang mit der verstärkten terrestrischen Verwitterung und dem erhöhten Eintrag terrigenen Schutts, die mit dem Beginn der Hauptepisode der spätpaläozoischen Eiszeit einhergingen.

Abbildung 5. Veränderungen in der Morphologie und Größe der riffbildenden Korallen Lithostrotion decipiens und Siphonodendron pauciradiale während des mittleren und späten Mississippiums in Bezug auf terrigenen Eintrag, Meeresoberflächentemperatur, Meeresspiegel in niedrigen Breiten und Gletscheraufzeichnungen in mittleren und hohen Breiten während dieses Zeitraums.

(Fotoquelle: Nanjing Institute of Paleontology)

Reaktion moderner mariner Riff-bildender Korallen auf terrigenes Material

Die Forscher sammelten büschelartige, komplexe Korallen der Arten Acropora tenuis, A. millepora und Pocillopora acuta mit einem Durchmesser von über 20 cm vom heutigen Great Barrier Reef in Australien und verpflanzten sie dann in ein Außenwasserströmungssystem, um dort eine Lebensumgebung ähnlich der von marinen Korallenriffen aufrechtzuerhalten (wie etwa eine Wassertemperatur von 27 °C, Aragonitsubstrat, symbiotische Korallenalgen usw.) und züchteten darin Korallenlarven.

Im Experiment wählten die Forscher drei Korallenarten im Alter von 3 bis 6 Monaten aus und setzten sie Gewässern mit vier verschiedenen Schwebstoffgehalten (0, 10, 30 oder 100 mg l−1) und Nährstoffgehalten aus und beobachteten das Korallenwachstum 40 Tage lang (Abbildung 6).

Die Versuchsergebnisse zeigten, dass Schwebstoffe die Überlebensrate von A. millepora stark reduzierten und die Zahl der abgestorbenen A. millepora-Larven proportional zur Sedimentkonzentration war. Darüber hinaus verringerte sich die Larvenzahl von A. tenuis und P. acuta zwar nicht signifikant, ihre Larvenwachstumsgröße verringerte sich jedoch auf weniger als die Hälfte oder hörte auf zu wachsen (Abbildung 7).

Abbildung 6. Überlebensstatus der modernen Meereskorallen Acropora tenuis, A. millepora und Pocillopora acuta in Gewässern mit unterschiedlichem Schwebstoffgehalt

(Bildquelle: Humanes et al., 2017)

Abbildung 7. Zusammenhang zwischen der Wachstumsgröße der Larven aus drei Korallenexperimenten und dem Sedimentgehalt

(Bildquelle: Humanes et al., 2017)

Dies lässt darauf schließen, dass der Kontakt der Larven einiger Korallenarten mit Schwebstoffen mit Energiekosten verbunden ist, was bedeutet, dass ein erhöhter Sedimenteintrag einen gewissen Einfluss auf das Wachstum bestimmter Artenpopulationen und riffbildender Korallen haben wird (Humanes et al., 2017).

Wenn der Eintrag terrigener Ablagerungen zunimmt, steigt auch der Energieverbrauch der Korallen für Aktivitäten wie Atmen, Entfernen von Sedimenten und Wiederherstellung der ökologischen Umwelt. Darüber hinaus führt organisches Material dazu, dass Sedimente große Partikel bilden, was den Energieverbrauch der Korallen weiter erhöht. Darüber hinaus fördert die Zunahme der Nährstoffe das Gedeihen der Mikroorganismen, und die von ihnen verstoffwechselten organischen Stoffe führen in den betroffenen Gebieten zu einem sauerstoffarmen und sauren Milieu, das dem Überleben der Korallen nicht förderlich ist. Viele der oben genannten Faktoren führen zu langsamem Wachstum oder zum Tod der Korallen.

Auswirkungen auf den aktuellen Schutz mariner Korallenriffe

Die spätpaläozoische Eiszeit ist die einzige Periode seit der Blütezeit von Pflanzen und Tieren auf der Erde, in der die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre annähernd der heutigen entspricht. Daher kann die Untersuchung der Evolution des Meereslebens während der Eiszeit des späten Paläozoikums als Referenz und Inspiration für die Erforschung der Evolution der heutigen Meeresökosysteme dienen.

Durch eine systematische Untersuchung der Veränderungen in der Morphologie und Größe riffbildender Korallen vor etwa 330 Millionen Jahren und ihrer Reaktion auf die Zufuhr von terrigenem Schutt haben Wissenschaftler den Evolutionstrend des Beginns der spätpaläozoischen Eiszeit und der Zunahme von terrigenem Schutt und Nährstoffzufuhr, die zur Verkleinerung der Individuen riffbildender Korallen führte, in Zeit und Raum aufgedeckt.

Aufgrund der Einbringung von terrigenem Schutt und der Veränderungen in der Paläoumwelt während der Eiszeit des späten Paläozoikums starben einige Korallen aus, andere jedoch überwanden die sich verschlechternde Umwelt und überlebten. Warum?

Die Studie ergab, dass diese Korallen, die Umweltveränderungen überwinden, möglicherweise eine starke phänotypische Plastizität aufweisen, d. h., sie können sich angesichts von Umweltveränderungen durch Veränderung ihrer individuellen Größe besser an neue Umweltbedingungen anpassen. Mit anderen Worten: Die riffbildenden Korallen, die vor 330 Millionen Jahren überlebten, konnten sich an die uralten Umweltveränderungen anpassen, die mit der späten paläozoischen Eiszeit einhergingen, indem sie ihre Größe verringerten.

Darüber hinaus bietet diese Studie Anregungen für heutige Schutzmaßnahmen für marine Korallenriffe und zukünftige Entwicklungstrends aus der Perspektive der biologischen Evolution auf lange Sicht: Riffbildende Korallen mit starker phänotypischer Plastizität können sich möglicherweise besser an heutige Umweltveränderungen wie den Eintrag von Abfällen von der Erde und Wasserhypoxie anpassen. Daher sollten wir beim zukünftigen Schutz der Korallenriffe eine „Pflaster“-Wiederherstellung vermeiden, bei der es nur um Quantität und Geschwindigkeit geht, und stattdessen riffbildenden Korallen mit starker phänotypischer Plastizität den Vorzug für die Wiederherstellung geben. Auf diese Weise erreichen wir einen hochwertigen Schutz der Korallenriffe, des größten Ökosystems in den heutigen Ozeanen.

(Hinweis: Diese Forschung wurde gemeinsam von der National Natural Science Foundation of China, der Youth Innovation Promotion Association der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und dem Strategic Priority Research Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Klasse B) finanziert.

Herausgeber: Ma Yiqun

Quellen:

[1] Bouchet P (2006). Das Ausmaß der marinen Artenvielfalt. In: Duarte CM, Herausgeber. Die Erforschung der marinen Biodiversität: wissenschaftliche und technologische Herausforderungen. Bilbao, Spanien: Fundación BBVA. S. 31–64.

[2] Reaka-Kudla M (1997). Die globale Artenvielfalt von Korallenriffen: ein Vergleich mit Regenwäldern. In: Reaka-Kudla M, Wilson DE, Wilson EO, Herausgeber. Biodiversität II: Unsere biologischen Ressourcen verstehen und schützen. Washington, DC: Joseph Henry Press. S. 83–108.

[3] Plaisance L, Caley MJ, Brainard RE, Knowlton N. (2011). Die Vielfalt der Korallenriffe: Was übersehen wir? PLoS ONE 6, e25026.

[4] Pandolfi, JM et al. (2011). Prognose der Zukunft der Korallenriffe unter dem Einfluss der globalen Erwärmung und der Versauerung der Ozeane. Science 333, 418–422.

[5] Mclaughlin, CJ, Smith, CA, Buddemeier, RW, Bartley, JD und BA Maxwell. (2003). Flüsse, Abfluss und Riffe. Global & Planetary Change, 39(1-2), 191-199.

[6] Humanes A, Fink A, Willis BL, Fabricius KE, Beer DD, Negri AP. (2017). Auswirkungen von Schwebstoffen und Nährstoffanreicherung auf junge Korallen. März. Verschmutzt. Stier. 125, 166–175.

[7] Yao, L*., Lin, W., Aretz, M., Bottjer, DJ, Wang, XD, (2023). Widerstandsfähigkeit kolonialer Korallen durch Verringerung ihrer Größe: Reaktion auf den erhöhten Zustrom von Detritus zu Beginn der späten paläozoischen Eiszeit. Proz. R. Soc. B, 290, 20230220. https://doi.org/10.1098/rspb.2023.0220.

(Hinweis: Lateinischer Text sollte kursiv gedruckt werden.)