Auch Tiere vertragen Hitze nicht: Millionen Jahre Evolution in wenigen Jahrzehnten abgeschlossen

Der Klimawandel beschleunigt sich und die Tiere stehen vor beispiellosen Herausforderungen. Können sie sich diesem Rhythmus anpassen?

Von Andy Carstens

Zusammengestellt von Wang Chao

Abbildung 1. Südafrikanisches Ziesel (Xerus inauris) | Quelle: Wikipedia

Das entzückende Südafrikanische Erdhörnchen (Xerus inauris) lebt in den trockenen Savannen des südlichen Afrikas sowie in tropischem und subtropischem Buschland. Um mit der sengenden Hitze hier fertig zu werden, haben sie eine Reihe von Strategien entwickelt. Beispielsweise sind ihre Hinterpfoten besonders groß, um die Wärmeableitung zu erleichtern; Sie liegen flach auf dem Bauch, um die Wärme aus ihrem haarlosen Bauch abzuleiten. und sie biegen ihre pelzigen Schwänze und halten sie wie einen Sonnenschirm über ihren Kopf, um sich abzukühlen. Und wenn die Hitze unerträglich wird, ziehen sich diese grabenden Säugetiere in ihre Höhlen zurück, um sich abzukühlen. Allerdings beschleunigt sich der Klimawandel: In den Naturschutzgebieten Südafrikas sind die maximalen Tagestemperaturen in nur 18 Jahren um 2,5 °C gestiegen. Miya Warrington, eine Naturschutzökologin an der University of Manitoba in Kanada, sagt, dass die südafrikanischen Erdhörnchen trotz aller Kühltricks, die sie beherrschen, bald von einem sich schnell ändernden Klima überwältigt werden könnten.

Abbildung 2. Südafrikanische Erdhörnchen schützen sich mit verschiedenen Methoden vor der extremen Hitze. Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, sich flach auf den Bauch zu legen und die Wärme aus Ihrem Bauch entweichen zu lassen.

Warrington stellte fest, dass die ohnehin schon sehr großen Hinterfüße der Eichhörnchen in weniger als zwei Jahrzehnten im Verhältnis zu ihrer Körpergröße um etwa 11 Prozent wuchsen, während sich ihre Wirbelsäule um etwa 6 Prozent verkürzte. Der enorme Umweltdruck durch steigende Temperaturen könnte der Grund dafür sein, dass sich ihr Körper innerhalb kurzer Zeit verformt.

Die Metamorphose südafrikanischer Erdhörnchen ist kein Einzelfall. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass sich die Körperform vieler Arten innerhalb kurzer Zeiträume geringfügig verändert hat. Wir wissen jedoch nicht, ob sich Tiere schnell genug an die steigenden Temperaturen anpassen können, und wir wissen auch nicht, wie weit sie vom kritischen Punkt des Populationszusammenbruchs entfernt sind.

Kleiner Körper, lange Gliedmaßen

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Temperatur und Körperform? Im späten 19. Jahrhundert stellten zwei Biologen zwei unabhängige, aber miteinander verbundene Hypothesen auf. Bergmanns Regel besagt, dass Tiere, die in der Nähe der Tropen leben, kleiner sind, während Allens Regel vorhersagt, dass Tiere in wärmeren Regionen längere Gliedmaßen haben. Die Implikationen dieser beiden Hypothesen sind die gleichen: Die Körpergröße von Homoiothermen ändert sich mit der geographischen Breite aufgrund von Temperaturunterschieden, und diese Trends sind Temperaturanpassungen, die die Tiere als Reaktion auf unterschiedliche Wärmeableitungsbedürfnisse entwickeln.

„Wenn Sie kleiner sind, haben Sie pro Volumeneinheit eine größere Oberfläche, was zu einer besseren Wärmeableitung beiträgt“, erklärt Casey Youngflesh, ein quantitativer Ökologe an der Michigan State University. Bergmanns Regel berücksichtigt die Auswirkungen des Breitengrads und Youngflesh versuchte herauszufinden, ob Vögel kleiner werden, wenn der Klimawandel Nordamerika insgesamt erwärmt.

Youngflesh und seine Kollegen durchforsteten eine umfassende Vogeldatenbank des Institute for Bird Populations. Bei der Betrachtung aller 105 Vogelarten stellten sie fest, dass 80 Arten in Nordamerika in den letzten 30 Jahren einen erheblichen Gewichtsverlust verzeichneten. Bei der Analyse von nicht weniger als 250.000 Vögeln stellten sie fest, dass alle Arten im Durchschnitt etwa 0,6 Prozent ihres Körpergewichts verloren hatten. Den größten Verlust verzeichneten die Baumschwalben (Tachycineta bicolor) mit etwa 2,8 Prozent.

Abbildung 3: Ein Wissenschaftler nimmt Messungen an dieser Indigofink (Passerina cyanea) vor und bereitet sie für die Markierung vor. Die Arbeit ist Teil der laufenden Überwachungsbemühungen des Bird Population Research Institute.

Obwohl diese Zahlen gering erscheinen mögen, vollziehen sich die meisten evolutionären Veränderungen in geologischen Zeiträumen. Daher ist die Tatsache, dass sich das Gewicht dieser Vögel in nur drei Jahrzehnten verändert hat, erstaunlich.

Der Ornithologe und Evolutionsbiologe Phred Benham stimmt Youngflesh zu. „Das Ausmaß ihres Projekts ist enorm. Die Tatsache, dass sich so viele Arten in so kurzer Zeit verändert haben, deutet darauf hin, dass es einen globalen Faktor gibt, der diese Vögel beeinflusst – höchstwahrscheinlich den Klimawandel.“

Youngfleshs Forschung ergab, dass sich die absolute Flügellänge von Vögeln zwar nicht änderte, ihre relative Länge im Verhältnis zu ihrem Körper jedoch zunahm, weil ihre Körper schrumpften. Obwohl Allens Gesetz nahelegt, dass die Verlängerung der Gliedmaßen mit der Wärmeableitung zusammenhängt, glaubt Youngflesh, dass das Phänomen der Verlängerung der Vogelflügel weniger mit der Wärmeableitung zu tun hat, sondern eher auf die Notwendigkeit der saisonalen Migration zurückzuführen ist. Je weiter eine Vogelpopulation wandern muss, desto länger werden ihre Flügel. Laut Youngflesh könnten die Ergebnisse zeigen, wie wichtig es für Vögel ist, saisonal die Fähigkeit zu behalten, weite Strecken zu fliegen.

Benham konzentrierte sich auf Veränderungen im Schnabel des Vogels. Er glaubt, dass Veränderungen der Schnäbel im Gegensatz zu Veränderungen der Flügellänge tatsächlich auf die Temperatur zurückzuführen sein könnten. Je größer die Oberfläche des Schnabels ist, desto besser ist der passive Kühleffekt. Dieser Wärmeableitungsprozess erfordert keinen zusätzlichen Stoffwechsel und ist nicht auf Verdunstungskühlung angewiesen, wodurch er der Wassererhaltung förderlicher ist.

Die Forscher untersuchten vier Unterarten des Steppensperlings (Passerculus sandwichensis) und stellten fest, dass die Schnäbel im Allgemeinen größer wurden, je weiter südlich eine Population vorkam, wie es Allens Regel vorhersagte. Aber nur die Unterart P. s. alaudinus, der an der Küste Nordkaliforniens lebt, wies eine Schnabelvergrößerung auf, die auf das durch den Klimawandel bedingte heißere Wetter zurückzuführen sein könnte – diese Vögel leben in den hypersalinen Gezeitenmarschen im Landesinneren Kaliforniens, wo Süßwasser knapp ist, und ihre Schnabeloberfläche hat sich in 150 Jahren um etwa 7 % vergrößert. Schätzungen zufolge kann dadurch der Wasserverlust um etwa 16 % pro Tag reduziert werden.

Benham spekuliert, dass der Schnabel von P. s. alaudinus wuchs so stark, weil es in einer wasserarmen Umgebung umso teurer gewesen wäre, kühl zu bleiben, je heißer das Wetter war. Daher war er neugierig, ob die Vogelpopulation in trockenen Regionen, wie von Youngflesh analysiert, stärker geschrumpft war als die in feuchteren Regionen.

Bestäubungsprobleme

Das Bergmannsche Gesetz und das Allensche Gesetz legen nahe, dass sich bei Homoiothermen im Laufe von Jahrtausenden unterschiedliche Größen entwickelt haben, um sich an die durch den Breitengrad bedingten Temperaturgradienten anzupassen. Eine andere Regel – die Temperatur-Größen-Regel – beschreibt die phänotypische Plastizität, die bei kaltblütigen Tieren vorherrscht. „Bei fast allen Insektenarten, die Wissenschaftler untersucht haben, nimmt die Größe der erwachsenen Tiere ab, wenn die Temperatur der Umgebung, in der sich die Larven entwickeln, steigt“, sagt Michelle Tseng, Insekten- und Wasserökologin an der University of British Columbia. „Das liegt daran, dass wärmere Bedingungen biochemische Reaktionen während der Entwicklung beschleunigen und so den Reifungsprozess bei wechselwarmen Tieren verkürzen.“

Doch wenn Wissenschaftler die Auswirkungen dieser Veränderungen in der realen Welt untersuchen, unterscheiden sie oft nicht klar zwischen statistischer und biologischer Signifikanz. Bei Letzteren handelt es sich um statistisch signifikante Auswirkungen auf die Gesundheit oder das Überleben eines Organismus. Statistische Signifikanz ist nur ein Beweis zur Unterstützung der biologischen Signifikanz; Statistische Signifikanz bedeutet nicht, dass es im biologischen System einen echten Unterschied gibt. Der Grund, warum wir nicht zwischen den beiden Signifikanzarten unterscheiden, liegt manchmal darin, dass die Forscher die Auswirkungen ihrer Erkenntnisse auf die reale Welt nicht wirklich kennen, manchmal aber auch darin, dass die statistische Signifikanz für die Veröffentlichung von Artikeln wichtiger ist. Um die biologische Bedeutung zu untersuchen und sich gleichzeitig auf die statistische Bedeutung zu konzentrieren, entwarf Tseng ein Experiment zur Untersuchung der Auswirkungen einer temperaturbedingten Verringerung der Körpergröße auf das Bestäubungsverhalten von Schmetterlingen.

Die Wechselwirkungen zwischen Bestäubern und Pflanzen sind für die Artenvielfalt von entscheidender Bedeutung, da Pflanzen für die Vermischung ihrer Gene auf Bestäuber angewiesen sind. Es ist jedoch noch nicht gut verstanden, wie sich die Körpergröße von Insekten auf die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Insekten auswirkt. Tseng untersuchte zunächst, wie der Klimawandel die Körper- und Flügelgröße des Kohlweißlings (Pieris rapae) verändern könnte. Tseng baut vor ihrem Haus Grünkohl in Töpfen an. Nachdem der Kohlweißling Eier auf den Blättern abgelegt hat, entfernt sie vorsichtig den Grünkohl und bringt ihn in ihr Labor.

Nachdem die Eier geschlüpft waren, legten Tseng und seine Kollegen die Larven in Brutkästen mit konstanten Temperaturen von 18 °C, 24 °C und 30 °C. Im Vergleich zu den Kohlweißlingen, die in der kältesten Umgebung aufgezogen wurden, reiften die in der wärmsten Umgebung aufgezogenen Tiere etwa doppelt so schnell, hatten das geringste Gewicht, die kleinste Flügelfläche und flogen langsamer.

Um festzustellen, ob diese morphologischen Veränderungen biologisch bedeutsam waren, sammelten Tseng und ihre Kollegen Pieris rapae in der Wildnis und sortierten sie in große, mittlere und kleine Gruppen ähnlicher Größe, basierend auf der Größe der im Labor gezüchteten Schmetterlinge. Anschließend analysierten sie, wie viel Pollen die verschiedenen Gruppen nach dem Fliegen angesammelt hatten. Das Versuchsteam sammelte mit Hilfe von Gelatine Pollen vom Gesicht und den Mundwerkzeugen des Kohlweißlings und bewertete unter dem Mikroskop die vom Schmetterling getragene Pollenmenge sowie die dem Pollen entsprechende Pflanzenart. Sie stellten fest, dass kleinere Pieris rapae-Schmetterlinge (die in ihrer Größe Laborschmetterlingen entsprechen, die unter den wärmsten Bedingungen gezüchtet werden) Pollen von weniger Pflanzenarten trugen. Tseng ist davon überzeugt, dass dieses Ergebnis wichtig ist und praktische Auswirkungen auf die Artenvielfalt haben könnte.

Meredith Johnson, eine Doktorandin der Insektenphysiologie an der Arizona State University, hat einen weiteren Bestäuber entdeckt, der aufgrund des Klimawandels kleiner werden könnte. Bei der Untersuchung von in der freien Natur in den letzten fünf Jahren gesammelten Daten stellte sie fest, dass die Breite des Kopfes männlicher Grabbienen (Centris pallida), ein wichtiges Merkmal zur Beschreibung ihrer Körpergröße, abnahm. Die Männchen der Grabbienen sind dimorph, das heißt, sie kommen in zwei verschiedenen Körpergrößen vor, die sich in ihrem Paarungsverhalten unterscheiden. Während alle Männchen kleiner wurden, war beim größeren Dimorph der größte Rückgang der Kopfbreite zu verzeichnen – etwa 8 Prozentpunkte. Johnson sagte, dass die Auswirkungen dieses Phänomens noch unklar seien, da größere männliche Bienen sich jedoch eher erfolgreich paaren könnten, da die Größe der Männchen weiter abnimmt, könnte die Population entsprechend abnehmen.

Abbildung 3: Eine männliche Grabbiene der Trompetenart kopuliert mit einer weiblichen Biene auf einem Mesquite-Strauch (Prosopis).

Es gibt zwei Gründe, warum männliche Grabbienen kleiner geworden sind: Zum einen ist dies der Anstieg der Umgebungstemperatur während der Entwicklung, zum anderen ist die klimabedingte phänologische Diskrepanz zwischen den Bienen und ihren Wirtspflanzen. Die sogenannte Phänologie bezeichnet den Zusammenhang zwischen biologischen periodischen Phänomenen (wie etwa der Blüte von Pflanzen oder dem Nektarsammeln der Bienen) und dem jahreszeitlichen Klima. Obwohl Johnson bisher keine der beiden Hypothesen getestet hat, hängen die wahrscheinlichsten Ursachen mit dem Klimawandel zusammen. In ihren Worten: „Mir fällt kein anderer Grund ein.“

Johnson glaubt, dass der Klimawandel für oligophage Bienen wie Grabbienen eine größere Bedrohung darstellt als für polyphage Bienen. Die meisten der 20.000 existierenden Bienenarten sind oligophag, das heißt, sie ernähren sich nur vom Nektar einiger weniger Pflanzenarten. Grabbienen sind beispielsweise auf den Nektar eines Baumes namens Parkinsonia angewiesen. Bei einer anormalen Blüte oder einer verringerten Nektarproduktion haben Grabbienen keine andere Möglichkeit, sich zu ernähren.

Es ist noch nicht klar, ob Veränderungen der Körpergröße bei Insekten auf die Plastizität des Körpers, eine schnelle Evolution oder beides zurückzuführen sind. Obwohl viele Wissenschaftler seit vielen Jahren forschen, konnte niemand Beweise zur Beantwortung dieser Frage vorlegen. Derzeit laufen zahlreiche Studien, um zu analysieren, wie sich Plastizität und Evolution auf Veränderungen der Körpergröße von Insekten auswirken.

Ersticken im Wasser

Die Temperatur-Größen-Regel gilt auch für im Wasser lebende Kaltblüter. Allerdings ist es schwierig, die Auswirkungen der Temperatur von denen der Fischerei zu trennen: Durch die Fischerei werden tendenziell die größten Fische aus einer gegebenen Population entfernt, was wiederum einen Selektionsdruck ausübt, der kleinere Fische begünstigt.

Aus diesem Grund basieren viele Spekulationen über die Zukunft des Meereslebens auf Fossilienfunden und anderen alten biologischen Proben. Renato Salvatecci, ein Paläozeanograph am Center for Ocean and Society der Universität Kiel, analysierte Sedimentkerne von der Küste Zentralperus, die etwa 120.000 Jahre alt sind. Sie untersuchten vor allem die Eem-Warmzeit, die letzte Zwischeneiszeit der Erde, als das Wetter wärmer war als heute. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fische in diesem Teil des Südpazifiks nicht kleiner wurden, als die Meerestemperaturen etwa 2 °C höher waren als heute, sondern offenbar in gastfreundlichere Gebiete abwanderten. Allerdings haben sie vielerorts einen starken Rückgang der Fischgröße beobachtet, die Gründe dafür sind jedoch schwer zu erkennen und möglicherweise liegen für verschiedene Arten auch unterschiedliche Gründe vor.

Veränderungen des Sauerstoffgehalts im Meerwasser erschweren die Untersuchung der Reaktion von Meerestieren auf den Klimawandel. Die meisten Meerestiere kommen zum Atmen nicht an die Oberfläche und müssen daher ihren gelösten Sauerstoff aus dem Meerwasser beziehen. Mit steigenden Meerestemperaturen verringert sich die Sauerstofflöslichkeit und damit auch die Menge an Sauerstoff, die den Fischen zum Atmen im Wasser zur Verfügung steht. Das ist auch an Land in großen Höhen der Fall, wo die dünne Luft bei Menschen Atemnot verursachen kann.

Der Clou dabei ist, dass eine steigende Temperatur die Diffusionsrate des Sauerstoffs erhöht und die Viskosität des Wassers verringert, was den Effekt der verringerten Sauerstofflöslichkeit bis zu einem gewissen Grad kompensiert.

Anhand von Daten aus früheren Experimenten zum Einfluss von Temperatur und Sauerstoff auf die Körpergröße ektothermer Meerestiere hat der Paläobiologe Jonathan Payne von der Stanford School of Sustainability ein Modell entwickelt, um die aktuelle Artenverteilung zu verstehen und vorherzusagen, wie diese Arten auf verschiedene Szenarien des Klimawandels reagieren könnten. Das Modell berücksichtigt die Temperatursensitivität des Stoffwechsels und das durch die Erwärmung der Ozeane verursachte Ungleichgewicht zwischen Sauerstoffangebot und -bedarf. Logischerweise muss die Sauerstoffzufuhr den Überlebensbedarf des Tieres übersteigen, und bei größeren Organismen sinkt das Gleichgewicht zwischen Sauerstoffangebot und -bedarf schneller.

Paynes Modell geht davon aus, dass bei Arten mit einem Gewicht von etwa einem Gramm, wie etwa Zooplankton, die Biomasse bei jedem Anstieg der Meerestemperatur um ein Grad Celsius um zehn Prozentpunkte abnimmt. Ein Temperaturanstieg von 1 °C wäre also keine Superkatastrophe, aber wir wissen nicht, welche genauen ökologischen Auswirkungen das hätte. Bei einem Temperaturanstieg von 5 °C müsste die Körpergröße hingegen um 25 % abnehmen. Wenn dies so weitergeht, werden Organismen irgendwann in der Zukunft weder anatomisch noch physiologisch in der Lage sein, mit dieser Situation umzugehen.

Bei größeren Organismen, etwa Kopffüßern mit einem Gewicht von 100 Gramm, sind die Vorhersagen des Modells sogar noch schlechter. Bei einer Erwärmung um nur 1 °C müssten sie um 20 % schrumpfen, bei einer Erwärmung um 5 °C wären sie hingegen um 80 % schrumpfen. „Das ist eine große Sache, oder?“ sagte Payne. Und es könnte schwerwiegende Auswirkungen auf viele andere Arten haben. „Die großen Fische fressen die kleinen Fische und die kleinen Fische fressen die Garnelen“, sagte er. „Es wird sich definitiv im Nahrungsnetz ausbreiten.“

Obwohl noch nicht klar ist, ob Paynes Modell auch in den nächsten 100 Jahren oder länger zutrifft, lässt sich daraus eine klare Schlussfolgerung ziehen: Wenn große Organismen nicht in kühlere Lebensräume abwandern oder ihr Verhalten ändern, werden sie innerhalb kurzer Zeit Größenänderungen vornehmen müssen. Dies ist für sie höchst unwahrscheinlich und könnte zu einem extrem selektiven Aussterben führen.

Welleneffekt

Steigende Temperaturen wirken sich nicht nur auf die Meeresbiomasse aus. Da große Tiere Nährstoffe über weite Strecken transportieren, sind letztendlich ganze Ökosysteme betroffen.

Nehmen wir zum Beispiel Lachse: Sie ernähren sich im Meer, nehmen Phosphor auf und wandern dann flussaufwärts, um sich im Flussbett zu vermehren. dann kommen die Bären zum Fluss und fressen die Lachse, wobei sie dem Fluss den Phosphor entziehen. Anschließend ziehen sie über Land und scheiden ihn irgendwo am Hang aus. Payne bezeichnet die Art und Weise, wie sich Phosphor bewegt, als „Anti-Schwerkraft“. In der unbelebten Welt ist diese Art des Nährstofftransports unmöglich.

„Denken Sie an die Fischschwärme im Meer, an die Tiere, die Sedimente auf dem Meeresboden aufwühlen, an die Insekten und anderen Tiere, die den Boden umgraben und Nährstoffe über das Land transportieren, und plötzlich wird Ihnen klar, dass der Nährstofffluss in der modernen Welt eindeutig tief biologisch geprägt ist“, sagte er.

Tseng drückt es deutlicher aus: „Wenn diese Mistkäfer nicht lautlos ihr Werk verrichten würden, müssten Sie und ich jeden Sommer Kuhmist schaufeln.“

Fast alle einschlägigen Fachleute sind der Ansicht, dass das Verschwinden von Arten, die sich nicht schnell an den Klimawandel anpassen können, unweigerlich ähnliche Folgen haben wird. Youngflesh weist darauf hin, dass in den letzten 50 Jahren 30 % der Zugvögel von der Welt verschwunden sind, weshalb wir diese scheinbar kleine Größenänderung untersuchen müssen. Durch die Untersuchung von Veränderungen der Körpergröße bei Tieren können wir herausfinden, welche Arten möglicherweise am stärksten gefährdet sind. Wenn die Menschen besser verstehen, wie die verschiedenen Teile der Natur zusammenwirken und wie Ökosysteme auf den Klimawandel reagieren, „werden wir vielleicht nicht so hilflos sein.“

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