Auswirkungen von Hitzewellen auf arktisches Phytoplankton

17. Mai 2024, von MIN-Dekanat

Foto: Alfred-Wegener-Institut/Paolo Verzone

Dr. Klara Wolf und Dr. Clara Hoppe (rechts) nehmen Algenproben aus dem Kongsfjord, Spitzbergen, Arktis.

Die Basis des marinen Nahrungsnetzes in der Arktis, das Phytoplankton, reagiert auf Hitzewellen ganz anders als auf konstant erhöhte Temperaturen. Die Reaktion hängt vor allem von Abkühlungsphasen nach oder zwischen den Hitzewellen ab, zeigt eine Studie, die in der Fachzeitschrift Science Advances erschienen ist und an der Forschende des Fachbereichs Biologie der Universität Hamburg beteiligt waren.

Hitzewellen, wie wir sie in den letzten Jahren auf der ganzen Welt vermehrt erlebt haben, werden auch in der Arktis immer häufiger. Dabei erwärmt sich neben der Luft auch der Ozean – die Temperatur liegt für mindestens fünf Tage in Folge weit oberhalb des saisonalen Mittelwerts. Aber wie sich solche kurzzeitigen Temperaturschwankungen auf polare Organismen auswirken, ist noch weitgehend unverstanden. Deshalb hat ein Team um Dr. Klara Wolf von der Universität Hamburg und Universität Konstanz sowie Prof. Dr. Björn Rost vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) jetzt experimentell untersucht, wie die Kleinstalgen des Phytoplanktons auf ein solches Extremereignis reagieren. Das Phytoplankton ist die Basis des Nahrungsnetzes, so dass sich Veränderungen auf das gesamte arktische Ökosystem auswirken können.

Die Forschenden ließen in Inkubations-Experimenten an der AWIPEV-Station auf Svalbard natürliche Phytoplankton-Gemeinschaften aus dem dortigen Kongsfjord für 20 Tage unter verschiedenen Bedingungen wachsen. Sie nutzten dafür normale sowie erhöhte, aber stabile Temperaturen (2° C, 6° C, 9° C). Im Vergleich dazu setzten sie das Phytoplankton auch verschieden intensiven (6° C, 9° C) und wiederholten Hitzewellen aus, die jeweils fünf Tage dauerten und zwischendurch eine Abkühlungsphase von drei Tagen bei saisonüblichen 2° C hatten. Zu definierten Zeitpunkten wurden unterschiedliche Proben genommen, um die physiologischen Reaktionen und etwaige Artenverschiebungen zu charakterisieren.

„Unter stabilen Temperaturverhältnissen führte sogar ein extremer Temperaturanstieg von +7° C zu schnellerem Wachstum und höherer Produktivität, bei überraschend geringen Veränderungen in der Artenzusammensetzung, selbst über Wochen“, erläutert Klara Wolf die Ergebnisse der Experimente. „Die Folgen von Hitzewellen sind hingegen deutlich komplexer und folgen diesem Muster nicht. Das deutet darauf hin, dass unser Wissen über konstante Temperaturerhöhung nur sehr bedingt auf solche kurzzeitigen, auf wenige Tage begrenzten Wärmephasen übertragbar ist.“ Ein Grund hierfür liege scheinbar darin, dass nicht nur die Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen einen wichtigen Einfluss auf die Produktivität hat, sondern gerade auch die Abkühlungsphasen nach, beziehungsweise zwischen den Hitzewellen – und über diese Effekte sei bislang wenig bekannt.

„Wir sind derzeit noch am Anfang, mechanistisch zu verstehen, was Hitzewellen in Polargebieten anrichten können“, sagt AWI-Biologe Björn Rost. „Unsere Studie macht hier einen wichtigen ersten Schritt und zeigt auf, welche Aspekte einer Hitzewelle und welche Prozesse des Phytoplanktons wir uns genauer anschauen müssen. Zudem belegt unsere Studie, dass sich das Prozessverständnis über die Auswirkungen von konstant erhöhten Temperaturen nicht einfach übertragen lässt.“ Tatsächlich haben Szenarien fluktuierender Temperaturen sehr unterschiedliche Folgen, was die Voraussage ihrer Implikationen komplizierter als die einer kontinuierlichen Erwärmung macht.

Um bessere Vorhersagen und Modelle entwickeln zu können, wie sich Primärproduktion und das Ökosystem der Arktis unter dem Klimawandel verändern, reicht es somit nicht aus, die Effekte von Temperatur-Mittelwerten zu erforschen. Auch die Folgen von Temperaturschwankungen müssen vermehrt betrachtet werden. Denn während eine stabile Erwärmung bis zu einer gewissen Temperatur die Produktivität steigert, verringert sich diese unter manchen Hitzewellen, in anderen Szenarien erhöht sie sich hingegen. Ein besseres Verständnis der Auswirkungen von variablen Temperaturen, insbesondere der Abkühlungsphasen, ist daher unverzichtbar, um Prognosen zu möglichen Veränderungen der Biodiversität zu verbessern. Dabei bilden Untersuchungen des Phytoplanktons die Basis, denn Veränderungen hier können sich über das Nahrungsnetz auf alle höheren Ebenen bis hin zu Fischerei-Erfolgen auswirken.

Text: AWI, red.