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Sep 29, 2023

Plankton ist für das Leben auf der Erde von zentraler Bedeutung: Wie wirkt sich der Klimawandel auf sie aus?

24. August 2023 Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

24. August 2023

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von Renee Cho, State of the Planet

Kürzlich berichteten Wissenschaftler, dass mehr als die Hälfte unserer Ozeane grüner wird, ein Hinweis darauf, dass sie möglicherweise mehr Phytoplankton enthalten. Entlang der kalifornischen Küste erkrankten oder starben Hunderte von Seelöwen und Delfinen, nachdem sie giftigen Algenblüten ausgesetzt waren, die durch schädliches Plankton verursacht wurden. Und in Thailand wurden Tausende toter Fische an Land gespült, erstickt von einer Planktonblüte.

Plankton ist der Grundbaustein von Meeres- und Süßwasserökosystemen und der Schlüssel zum Gaskreislauf in der Erdatmosphäre. Aber die Gewässer und die Luft des Planeten verändern sich aufgrund des Klimawandels schnell, und das wirkt sich auf das Plankton aus. Einige dieser Effekte sind nicht gut. Hier ist ein Blick darauf, was Plankton ist und welche Wechselwirkungen es mit dem Klima hat.

„Plankton“ kommt vom griechischen Wort für „Herumtreibender“. Plankton sind Organismen, die im Ozean herumschwimmen. „Viele können schwimmen, aber sie können nicht stark genug schwimmen, um sich den Strömungen zu widersetzen. Im Grunde sind sie den Strömungen ausgeliefert“, sagte Andrew Juhl, Forschungsprofessor am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University, der sich auf Wasserökologie spezialisiert hat .

„Plankton ist keine bestimmte Gruppe von Organismen; es sind viele verschiedene Arten von Organismen, die einen gemeinsamen Lebensstil haben“, sagte er. Sie kommen in Salz- oder Süßwasser vor und können in ihrer Größe von mikroskopisch klein (die meisten sind es) bis hin zu gut sichtbaren Krebstieren oder Quallen reichen.

Plankton wird in zwei Gruppen eingeteilt: Phytoplankton, bei dem es sich um Pflanzen handelt, und Zooplankton, bei dem es sich um Tiere handelt. Allerdings ist in der Planktonwelt die Unterscheidung zwischen Pflanze und Tier kompliziert.

Einige Organismen ernähren sich durch Photosynthese; andere bekommen es durch den Verzehr anderer Organismen; Einige Organismen betreiben Photosynthese, fressen aber auch andere Organismen. einige Bakterien werden auch zum Plankton gezählt und sind Zersetzer; und viele weitere Organismen liegen dazwischen oder tun mehrere Dinge.

In Bezug auf photosynthetische Organismen gebe es im Meeresplankton eine weitaus größere Vielfalt als an Land, sagte Juhl. Es gibt wahrscheinlich 100.000 verschiedene Arten von Phytoplankton, von denen jede unterschiedliche Eigenschaften, unterschiedliche ökologische Funktionen und unterschiedliche Verbreitungsgebiete haben kann. Auch Zooplankton umfasst viele, viele verschiedene Gruppen.

Phytoplankton, das wie Landpflanzen Chlorophyll enthält, kommt in der Nähe der Oberfläche vor, weil es die Sonnenstrahlen benötigt. Sie nutzen Sonnenlicht und Nährstoffe wie Phosphat, Nitrat und Kalzium, um Energie zu erzeugen und zu wachsen, indem sie Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff abgeben. Phytoplankton führt etwa 50 % der gesamten Photosynthese auf dem Planeten durch. Es wird geschätzt, dass sie etwa die Hälfte des gesamten Sauerstoffs der Erde produziert haben.

Einige Beispiele für Phytoplankton sind Cyanobakterien (auch als Blaualgen bekannt); Kieselalgen, deren Zellwände aus Kieselsäure bestehen und die am häufigsten vorkommende und vielfältigste Gruppe darstellen; und Dinoflagellaten, die Anhängsel haben, die ihnen bei der Fortbewegung helfen. Alle Algen sind Phytoplankton, aber nicht jedes Phytoplankton ist Alge.

Zum Zooplankton zählen Tiere wie Krill, Ruderfußkrebse, kleine garnelenartige Krebstiere und Quallen. Sie ernähren sich im Allgemeinen von Phytoplankton und werden wiederum von Fischen und anderen größeren Organismen gefressen.

Plankton ist die Grundlage der gesamten marinen Nahrungskette. Die Gesundheit und Produktivität aller Meereslebewesen hängen letztendlich von ihnen ab.

Plankton spielt auch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde. Wenn Phytoplankton stirbt, sinkt ein Teil des Kohlenstoffs, den es durch Photosynthese aufnimmt, in die Tiefen des Ozeans, wo er aus der Atmosphäre gebunden wird. Dieser als biologische Pumpe bezeichnete Prozess macht den Ozean zur größten Kohlenstoffsenke der Erde.

Die Ozeane haben schätzungsweise 40 % des gesamten Kohlendioxids absorbiert, das der Mensch seit der industriellen Revolution in die Atmosphäre abgegeben hat. Weltweit transportiert die biologische Pumpe jedes Jahr 10 Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Meerestiefen.

Phytoplankton ist für den Menschen auch auf andere Weise nützlich. Phytoplankton ist bei der Photosynthese und Kohlenstoffspeicherung effizienter als Landpflanzen und kann eine erneuerbare Ressource sein. Proteinreiches Phytoplankton kann eine Alternative zu Fischmehl in der Aquakultur und Ergänzungen für fleisch- und sojabasierte Tierfuttermittel darstellen. Während der Anbau von Soja und anderen Nutzpflanzen Land, Dünger und andere Ressourcen verbraucht, benötigt die Algenproduktion wenig Platz und ist weniger schädlich für die Umwelt.

Enzyme aus Plankton werden in pharmazeutischen Produkten und Lebensmitteln verwendet. Fette aus Plankton werden in Kosmetika und Nahrungsergänzungsmitteln verarbeitet. Sie können auch als Düngemittel anstelle von Produkten auf chemischer Basis verwendet werden. Von Plankton produzierte organische Verbindungen könnten zur Behandlung von Alzheimer, Krebs, Diabetes, AIDS, Osteoporose und anderen Krankheiten eingesetzt werden.

Es besteht großes Interesse an der Kultivierung von Phytoplankton für Biodieselkraftstoff, aber dieses Versprechen muss noch erfüllt werden.

Sie wachsen schnell, haben einen hohen Fettgehalt und produzieren bis zu 30-mal mehr Energie als andere Biokraftstoffe. Jüngste Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass die Herstellung und Verwendung von Biodiesel aus Phytoplankton tatsächlich mehr Energie verbraucht, als der Biokraftstoff produzieren kann, und möglicherweise einen größeren CO2-Fußabdruck hat als Diesel aus fossilen Brennstoffen. Damit aus Mikroalgen ein brauchbarer, kohlenstoffarmer Kraftstoff hergestellt werden kann, wären verbesserte Mikroalgenstämme und ein verbessertes Infrastrukturdesign erforderlich.

Aufgrund der enormen Vielfalt in der Planktonwelt ist es unwahrscheinlich, dass die vielen verschiedenen Arten von Organismen eine universelle Reaktion auf einen bestimmten Stress durch den Klimawandel zeigen würden.

Einige Klimamodelle gehen davon aus, dass steigende Temperaturen die Meeresströmungen verändern und die Menge an Nährstoffen, die aus der Tiefsee aufsteigen, verringern, was zu weniger Phytoplankton führt. Mit weniger Phytoplankton würde die Fähigkeit der Ozeane, Kohlendioxid zu binden, wahrscheinlich beeinträchtigt, so dass mehr davon in der Atmosphäre verbleiben würde, was den Klimawandel verschärfen würde.

Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass steigende Temperaturen dazu führen, dass bestimmte Phytoplanktonarten von Kohlenstoffabsorbern zu Kohlenstoffemittenten werden, was einen potenziellen und unerwarteten Wendepunkt für das Klima darstellen könnte. Einige Phytoplanktonarten sind Mixotrophe, das heißt, sie können Energie entweder durch Photosynthese oder durch den Verzehr anderer Organismen gewinnen. Wenn sie Photosynthese betreiben, entziehen sie der Atmosphäre Kohlenstoff; Wenn sie jedoch andere Organismen fressen, stoßen sie am Ende mehr CO2 aus, als sie aufnehmen.

Der Klimawandel könnte auch die Häufigkeit großer Phytoplanktonblüten sowohl im Süßwasser als auch im Meer erhöhen. Zahlreiche Faktoren tragen zu solchen Blüten bei: mehr Nährstoffe im Wasser durch Düngemittelabfluss oder Abwasser; das Aufsteigen von Tiefseewasser zur Oberfläche, wodurch mehr Nährstoffe an die Oberfläche gelangen; wärmere Wassertemperaturen; langsamer Wasserfluss oder stilles Wasser; und eine geringe Trübung, die es der Sonne ermöglicht, durch das Wasser zu scheinen und so das Phytoplanktonwachstum zu fördern.

Wenn die Meerestemperaturen steigen und sich die Zirkulationsmuster ändern, werden die Blüten auf der ganzen Welt größer und häufiger. Eine aktuelle Studie, die Algenblüten an Meeresküsten zwischen 2003 und 2020 kartierte, ergab, dass ihre Größe in diesem Zeitraum weltweit um 13 % (1,5 Millionen Quadratmeilen mehr) und ihre Häufigkeit um 59 % zunahm.

Große Algenblüten können für das Meeresleben und die Fischerei von Vorteil sein, aber schädliche Algenblüten können für Lebewesen giftig sein oder die Umwelt auf andere Weise schädigen.

„Blüten kommen ständig vor“, sagte Juhl. „Zumindest in höheren Breiten ist es Teil des typischen saisonalen Zyklus – im Frühling blüht es. Und an vielen anderen Orten entsteht eine Blüte, wenn ein Sturm vorbeizieht oder Nährstoffe durcheinander geraten. Oder.“ Wenn es viel regnet, werden möglicherweise Nährstoffe aus einem Fluss gespült, die eine Blüte verursachen können.“

Während Juhl sagte, dass es relativ wenige schädliche Phytoplanktonarten gibt, scheint ihre Blüte zuzunehmen. Er glaubt, dass dies zumindest teilweise auf bessere Beobachtungen und erhöhte Nährstoffkonzentrationen zurückzuführen ist. Einige Untersuchungen haben eine Zunahme schädlicher Algenblüten im Laufe der Zeit dokumentiert, die mit Klimaveränderungen einhergeht. Es ist jedoch unklar, ob der Klimawandel dafür verantwortlich ist.

Allerdings kann der Klimawandel Bedingungen schaffen, die die Wahrscheinlichkeit einer Blüte erhöhen. Dürre, gefolgt von extremen Niederschlägen, erhöht die Menge des Abflusses von landwirtschaftlichen Flächen und Rasenflächen, wodurch mehr Nährstoffe in die Gewässer gelangen. Dürren können den Durchfluss in Gewässern verringern, wodurch das verbleibende Wasser wärmer und stagnierender wird, was die Algenblüte begünstigt. Und da Algen zum Wachstum CO2 benötigen, kann ein höherer CO2-Gehalt in der Atmosphäre und im Wasser das Algenwachstum fördern, insbesondere das Wachstum giftiger Blaualgen. Der steigende Meeresspiegel führt auch dazu, dass das Küstenwasser stabiler und flacher wird, was das Algenwachstum fördern kann.

Schädliche Algenblüten kosten den USA jedes Jahr Schäden in Millionenhöhe, die auf Verluste in der Fischerei und im Tourismus, Schäden am Trinkwasser, Reinigungskosten und Krankenhausbesuche zurückzuführen sind.

Schädliche Süßwasseralgenblüten, die in allen 50 US-Bundesstaaten vorkommen, werden häufig durch Cyanobakterien verursacht, die Giftstoffe freisetzen. Sie können auch im Salzwasser vorkommen.

In wärmerem Wasser wachsen sie schneller als ungiftige Algen. Cyanobakterien können das Wasser grün, blau, rot oder braun färben und oft einen stinkenden Schaum auf der Wasseroberfläche bilden. Einige Cyanobakterien produzieren Toxine, die neurologische Schäden verursachen können. Andere setzen Giftstoffe frei, die Leberschäden, Hautreizungen oder Atemwegsprobleme verursachen.

Menschen und Haustiere können den Giftstoffen ausgesetzt sein, indem sie in kontaminiertem Wasser schwimmen oder es schlucken, Tröpfchen von Giftstoffen aus der Luft einatmen oder kontaminierten Fisch oder Schalentiere essen, selbst nachdem diese gekocht wurden. Die gesundheitlichen Auswirkungen können je nach Art des Toxins und Ausmaß der Exposition leicht, schwerwiegend oder sogar tödlich sein.

Joaquim Goes, ein biologischer Ozeanograph am Lamont-Doherty, leitet eine Studie über eine schädliche Algenblüte in einem künstlichen Teich im Morningside Park in Manhattan. Das Ziel seines Teams besteht darin, Möglichkeiten zur Eindämmung solcher Blüten zu finden und ein Frühwarnsystem zu entwickeln. Die Studie kann auf andere Stadtparks ausgeweitet werden.

Dinoflagellaten und Kieselalgen verursachen im Salzwasser die schädlichsten Algenblüten; Diese werden Rote Gezeiten genannt, weil sie das Wasser rot färben. Red-Tide-Toxine können sowohl Menschen als auch Tiere krank machen. Die Dinoflagellatenart Karenia brevis produziert ein Neurotoxin, das zu Lähmungen und Atemversagen führen und die Fortpflanzung von Meereslebewesen stören kann.

Beim Menschen verursacht es Augen- und Atemwegsreizungen und, wenn es in verdorbenen Meeresfrüchten verzehrt wird, Taubheitsgefühl, Übelkeit, Erbrechen und Durchfall. In diesem Frühjahr töteten die roten Fluten in Florida Tausende von Fischen und anderen Meerestieren, darunter zunehmend bedrohte Seekühe. Rote Fluten haben in Florida in den letzten 50 Jahren um das Fünfzehnfache zugenommen.

Eine andere Art schädlicher Blüte wird durch sogenannte Goldalgen verursacht, die vor allem im Meer, aber zunehmend auch im Süßwasser vorkommen. Diese Blüten können viele Fische töten, sind aber für den Menschen ungefährlich. Zwischen 2001 und 2010 vernichteten Goldalgenblüten in Texas mehr als 34 Millionen Fische, was den Staat mehr als 14 Millionen US-Dollar kostete.

Blüten müssen keine Giftstoffe abgeben, um Schaden anzurichten. Wenn Blüten absterben und verfallen, entstehen „tote Zonen“. Denn durch den Zersetzungsprozess wird der größte Teil des Sauerstoffs im Wasser verbraucht, sodass andere Organismen ersticken und absterben.

Die US-Umweltschutzbehörde gibt an, dass es in US-Gewässern gleichzeitig Dutzende tote Zonen gibt. Die größte befindet sich an der Mündung des Mississippi, die sich im Sommer aufgrund übermäßiger Nährstoffauswaschung auf bis zu 6.500 Quadratmeilen erstrecken kann. In einem Bericht aus dem Jahr 2020 wird geschätzt, dass diese tote Zone jedes Jahr Schäden in Höhe von 2,4 Milliarden US-Dollar an der Fischerei und am Meereslebensraum verursacht. Bei der Zersetzung können auch schädliche Gase wie Methan und Schwefelwasserstoff entstehen. Dichte Blüten können anderen Pflanzen und Tieren die Sonne versperren, die Kiemen von Fischen verstopfen und Korallen ersticken.

Der Klimawandel verändert die Umweltbedingungen auf der ganzen Welt. „Wenn man die Umweltbedingungen ändert, wird es definitiv Veränderungen [im Plankton] geben“, sagte Juhl. „Diese Veränderung an der Basis des Nahrungsnetzes wird sich auf das gesamte Nahrungsnetz auswirken.“

Verschiedene Planktonarten sind an unterschiedliche Wassertemperaturen und Umweltbedingungen gewöhnt. Wenn sich die Ozeane erwärmen und sich die Bedingungen ändern, müssen sich Arten anpassen, abwandern oder aussterben. Die Reaktion des Planktons auf die Erwärmung des Wassers und die Versauerung der Ozeane – ein weiteres Produkt des Klimawandels – wird sich auf die Funktion des Ökosystems und die Biomasseproduktion und letztendlich auf die Produktivität des Nahrungsnetzes auswirken.

Beispielsweise ist der Golf von Maine vor Neuengland und Südkanada in den letzten 20 Jahren wärmer und salziger geworden; Gleichzeitig ist die Produktivität des Phytoplanktons um 65 % geringer geworden.

Tropische Ozeane beherbergen die unterschiedlichsten Planktonpopulationen. Vor acht Millionen Jahren, als die Erde so warm war wie heute, lebte tropisches Plankton 2.000 Meilen vom Äquator entfernt. Einer aktuellen Studie zufolge bewegten sie sich mit der Abkühlung des Planeten zurück in Richtung Äquator. Die Forschung legt nahe, dass sich das Warmwasserplankton heute wieder vom Äquator entfernen könnte. Dies könnte die Ökosysteme in höheren Breiten verändern und möglicherweise die von ihnen abhängigen Fische und Küstengemeinschaften schädigen.

In der Arktis haben Forscher herausgefunden, dass veränderte Bedingungen Möglichkeiten für die Vorherrschaft neuer Planktonarten bieten. Hier erhöhen schmelzende Gletscher die Süßwassermenge im Arktischen Ozean; Es liegt auf dem salzigen Meerwasser und verhindert, dass Nährstoffe dorthin gelangen, wo Plankton darauf zugreifen kann. Eine Studie ergab, dass Mixotrophe, die nicht nur auf Photosynthese angewiesen sind, in relativ frischem Wasser mit weniger Nährstoffen gut zurechtkommen. Die Wissenschaftler untersuchten eine giftige mixtrophe Algenblüte und spekulierten, dass ein häufigeres Auftreten dieser Algenblüten in der Arktis ökologische und sozioökonomische Auswirkungen haben könnte.

„Die meisten Organismen, die wir im Plankton sehen, gibt es schon sehr lange und haben viele Zyklen des Klimawandels durchlebt, die nicht anthropogen sind“, sagte Juhl. „Sie haben sich damit befasst, also werden sie wahrscheinlich nicht verschwinden.“ Aber weil unsere Gesellschaften auf der Annahme basieren, dass die Dinge so bleiben, wie sie immer waren, werden diese Veränderungen Störungen mit sich bringen.

„Aus Sicht des Planktons ist es nicht existenziell“, sagte Juhl. „Aber es ist existenziell, vielleicht für den Menschen. Plankton kümmert sich nicht um uns, aber wir sollten uns um sie kümmern. Eines der Dinge, die ich den Leuten oft sage, ist, Luft zu holen. Jedes Mal, wenn man einatmet, wird eine unserer Lungen verletzt.“ füllt sich mit Sauerstoff, der aus dem tropischen Regenwald stammt, der oft als die Lunge des Planeten bezeichnet wird. Die andere Lunge füllt sich jedoch mit Sauerstoff, der im Ozean vom Phytoplankton produziert wurde.“

Wenn Sie bei der Überwachung schädlicher Algenblüten helfen möchten, melden Sie sich freiwillig beim Phytoplankton Monitoring Network, das von der National Oceanic and Atmospheric Administration eingerichtet wurde.

Bereitgestellt von State of the Planet

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung des Earth Institute der Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu erneut veröffentlicht.