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10.4 – Struktur, Funktion und Dynamik von Ökosystemen

Die Ökosystemforschung ist eine recht junge Wissenschaft. Sie hat die Aufgabe, das Wissen darüber zu erweitern, wie Gemeinschaften von Organismen mit ihrer Umwelt interagieren. Die Geo­wissenschaften sind in diese Wissenschaft vielfältig eingebunden. Sie liefern zum Beispiel geographische Kartierungen, untersuchen geochemische Prozesse und erforschen die Entwicklungsgeschichte von Landschaften und Lebewesen.

Alle Eingriffe des Menschen in das System Erde betreffen auch die Biosphäre. Um die Folgen dieser Eingriffe abschätzen zu können, müssen die natürlichen Prozesse und die Dynamik der Ökosysteme bekannt sein. Dabei stellen sich folgende Fragen: Wie verhalten sich unterschiedliche Lebensräume unter stabilen Umweltbedingungen? Wie reagieren Lebensräume auf natürliche oder anthropogene Veränderungen und wie schnell reagieren sie? Welche Folgen haben Veränderungen von Geoökosystemen für das System Erde? Wie sahen die Kontinente und ihre Lebensgemeinschaften auf einer Erde aus, die wesentlich höhere Jahresdurchschnittstemperaturen als heute aufwies und auf der die Pole eisfrei waren?

Eine solche „Treibhaus”-Welt gab es vor etwa 50 Millionen Jahren im Eozän. Aus dieser Zeit ist der Fossilbericht zumindest für die Nordhalbkugel ungewöhnlich reichhaltig. Teile der damaligen Flora und Fauna begegnen uns heute noch in Form verwandter Arten und Gattungen, so zum Beispiel bei den Pflanzen, Insekten und Spinnen. Andere Gruppen entfalteten sich im Eozän explosionsartig. Dies gilt insbesondere für die Säugetiere, die sich zu jener Zeit besonders vielfältig entwickelten und spektakuläre Formen wie etwa Wale und Fledermäuse hervorbrachten. Das Klima war nicht nur deutlich wärmer, sondern global betrachtet auch wesentlich ausgeglichener als heute. Aus heutiger Sicht sind die eozänen Umweltbedingungen derart ungewöhnlich, dass sie auch mit den modernsten Klimamodellen nicht simuliert werden können.

„Treibhaus“-Welt im Eozän

Geoökologie, Paläobiologie und Molekulargenetik müssen eng zusammenarbeiten, um die Veränderungen des Erdklimas und der biogeochemischen Kreisläufe in der Erdgeschichte zu entschlüsseln. Die geologische Vergangenheit lässt sich zum Beispiel aus Überresten von Organismen rekonstruieren, die in Sedimenten archiviert sind und als so genannte Proxies genutzt werden. Dazu ist es nötig, die Biologie und Verwandtschaftsverhältnisse dieser Organismen zu kennen. In jüngerer Zeit treten in der Ökosystemforschung besonders Fragen im Zusammenhang mit dem globalen Wandel in den Vordergrund. Ein neues Problem besteht darin, dass manche Umweltveränderungen wesentlich schneller vor sich gehen als angenommen. Meereis und Gletscher verschwinden in ungeahntem Tempo, manche Meeresgebiete versauern und erwärmen sich rapide, Regionen an Land leiden unter unerwartet starken Trockenheiten oder Überflutungen. Die Ökosystemforschung untersucht, wie sich diese Veränderungen auf die Verbreitung von Arten auswirken. Außerdem beschäftigt sie sich damit, wie sich die Funktion von Ökosystemen ändert, ob sie zum Beispiel CO2 und andere Treib­hausgase aufnehmen oder abgeben. Zudem entwickelt sie Konzepte, um Ökosysteme nachhaltig zu nutzen und zu entwickeln.

Mehrere geowissenschaftliche Programme widmen sich zum Beispiel dem Methan (CH4), das sowohl an Land als auch im Meer in großen Mengen entsteht, wenn Mikroben organisches Material zersetzen. Erreicht es die Atmosphäre, wirkt Methan als Treibhausgas. An Land bilden und zersetzen Mikroben Methan je nach Jahreszeit vor allem in Permafrostböden. Im Permafrost lagern große Mengen Methan in Form von Gashydrat, einer eisförmigen Verbindung von Wasser und Methan. Dieses Treibhausgas-Reservoir könnte sich auflösen, wenn sich die Arktis weiter erwärmt. Geowissenschaftler führen in Permafrostgebieten derzeit Bohrungen durch und installieren Langzeitobservatorien. Am Meeresboden haben Tauchroboter, Forschungs-U-Boote und neue Sonare zahlreiche Gas- und Fluidaustritte entdeckt. Die meisten dieser Gasquellen treten in der Nähe von Gashydratvorkommen im Meeresboden auf. Um die Veränderungen der Permafrostgebiete und der Gashydratlager zu verstehen, arbeitet die Atmosphärenchemie mit anderen Fachgebieten zusammen, vor allem mit der Hydrogeologie, der Geobiologie, der Geochemie, der Geophysik und der Geographie.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Die Untersuchung langfristiger, aber auch plötzlicher Umwelt- und Klimaveränderungen ist ein Herzstück der Geowissenschaften. In Zukunft müssen geologische und geographische Werkzeuge kombiniert werden, um Wandlungsprozesse in Ökosystemen räumlich darzustellen. Weitere Aufgaben bestehen darin, die Expertise an Universitäten, Instituten und Museen zu vernetzen, Informationen in nutzerfreundlichen Datenbanken zu speichern und moderne Visualisierungsverfahren zu nutzen, um Umwelten darzustellen.

Quantifizierung des Stoffaustauschs von Ökosystemen und der Atmosphäre mit bodengestützter Eddy Covarianztechnik und luftgestützten Flugzeugmessungen (Foto: Annette Freibauer, vTI Agrarrelevante Klimaforschung, Braunschweig)

Frühere Ökosysteme lassen sich immer dann besonders schwer rekonstruieren, wenn die globalen Bedingungen besonders deutlich von den heutigen Gegebenheiten abwichen. Von Ökosystemen an Land sind meist kaum Fossilien erhalten geblieben. Dennoch ist inzwischen klar, dass sich das gesamte System Erde stark veränderte, nachdem das Festland besiedelt wurde. Die frühen Landpflanzen im Obersilur und Devon vor etwa 420 bis vor 360 Millionen Jahren waren noch auf die Nähe von Wasser angewiesen. Im nachfolgenden Karbon breiteten sich erstmals Wälder aus, die weite Teile der Erdoberfläche bedeckten. Die ausgedehnte Bewaldung hatte erhebliche Folgen für die Festländer. So veränderten sich der Stoffbestand und die Verwitterung des Bodens, der Wasserhaushalt und die Zusammensetzung der Atmosphäre. Wahrscheinlich war sogar die Vereisung großer Teile der Südhemisphäre im Oberkarbon und Unterperm vor etwa 320 bis vor 270 Millionen Jahren eine unmittelbare Folge dieser Entwicklung. Auch zu anderen Zeiten der Erdgeschichte traten häufig enge Rückkopplungen zwischen terrestrischen und marinen Ökosystemen und dem Klima auf. Viele wichtige Fragen sind aber noch nicht beantwortet. Zum Beispiel ist es ungeklärt, welche Bedeutung die Artenvielfalt für die Funktion von Ökosystemen hat und wie Landschaft und Lebewesen miteinander wechselwirken.

Frühere Ökosysteme

Zur Lösung dieser Probleme müssen Geo- und Biowissenschaften fachübergreifend zusammenarbeiten. In europäischen und internationalen Forschungsprogrammen zur Ökosystemforschung werden Langzeitbeobachtungen und Systemanalysen bereits als multidisziplinäre Aufgabe der Geo- und Biowissenschaften betrachtet. In Deutschland fehlt noch eine entsprechende interdisziplinäre Strategie für Forschung, Lehre und Infrastruktur. Dies gilt insbesondere für Pläne, die Entwicklung der Erde durch „Ökosystem-Management” oder sogar „Geo-Engineering“ bewusst zu steuern. Zu diesen Themen bedarf es konzertierter Forschungsprogramme, bei denen Ökosysteme in Wäldern, Feuchtgebieten, Küstenzonen, in der Tiefsee und in den Polargebieten untersucht werden.

Eine wichtige Herausforderung besteht darin, die biogeochemischen Umsatzprozesse, die die globalen Stoffkreisläufe antreiben, quantitativ zu erforschen. Man nennt diese Prozesse „Ökosystem-Funktionen“ und „Ökosystem-Leistungen“. Sie haben eine wichtige Bedeutung für den Menschen und für den Klimawandel. Inzwischen ist bekannt, dass die Emission von Treibhausgasen das Klima schnell erwärmt. Gleichzeitig bestehen komplexe Wechselwirkungen zwischen dem Klima und anderen Umweltfaktoren und Elementkreisläufen. Der Mensch greift vor allem durch seine Landnutzung weltweit in die natürlichen Stoffkreisläufe ein. Um diese Kreisläufe zu erforschen, muss man verstehen, wie das System sich zeitlich verändert und welche Faktoren es steuern. Dafür müssen hochauflösende Geländeuntersuchungen an Land und im Meer in globale Modelle eingearbeitet werden.

Globale Stoffkreisläufe

Insbesondere CO2-Senken und der Stickstoffkreislauf müssen in Zukunft erforscht und quantifiziert werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Reaktion der CO2-Senken und des Stickstoffkreislaufs auf Änderungen des Klimas und der Atmosphärenchemie zu untersuchen. In der Öffentlichkeit wird zunehmend ­darüber diskutiert, wie sich der CO2–Überschuss in der Atmosphäre verringern lässt, etwa durch Eisendüngung im Meer, durch die Nutzung pflanzlicher Biomasse zur Energiegewinnung, durch die Langzeit-Speicherung von CO2 an Land oder im Meer. Dabei ist die geo­wissenschaftliche Expertise besonders gefragt, um das Risiko für Ökosysteme abzuschätzen. Abgesehen vom Kohlenstoffkreislauf sind auch andere Nährstoffkreisläufe wie der Stickstoff- und der Schwefelkreislauf stark durch menschliche Eingriffe beeinflusst. Dank neuer biogeochemischer Forschungsansätze entdecken Wissenschaftler noch immer Erstaunliches über Quellen, Senken und Umwandlung dieser Elemente. Mikroorganismen spielen in vielen Stoffkreisläufen eine wichtige Rolle.

Langzeitbeobachtung der Phytoplankton-Biomasse (als Chlorophyll a; links) bei Sylt (Nordsee). Der Rückgang der Stickstofffrachten der Elbe und Weser seit Mitte der 1980-er Jahre führte zu einer Abnahme des Sommer-Chlorophylls (Mittelwert von Mai bis September). Die Abbildung rechts zeigt den Zusammenhang zwischen Stickstofffrachten der Weser und Elbe und das Sommerchlorophyll bei Sylt (Quelle: Justus van Beusekom, Wattenmeerstation Sylt des Alfred Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven)

Bei vielen mikrobiologischen Umsatzprozessen werden Mineralien ausgefällt, die zum Beispiel als Karbonate, Phosphate, Eisen- oder Schwefelmineralien im Meeresboden erhalten bleiben. Diese Prozesse sind bisher kaum erforscht. Die Zeitskalen, auf denen die Aktivität der Mikroorganismen Meeres- und Erdböden verändert, sind ebenfalls unbekannt. Die Fachrichtung Geomikrobiologie verknüpft molekulare und hoch auflösende Methoden der Geochemie und Molekularbiologie mit klassischen Methoden der Geologie, Mineralogie und Mikrobiologie. Durch solche fachübergreifenden Forschungsansätze werden ständig neue Stoffwechselvorgänge entdeckt, die eine neue Sichtweise darüber eröffnen, wie der Kohlenstoff-, der Stickstoff- und der Schwefelkreislauf gekoppelt sind. Erst kürzlich stellte sich heraus, dass Zellen weit mehr photoaktive Bestandteile enthalten als bisher angenommen. Ob das die Bilanz der Photosynthese und der CO2-Aufnahme im Ozean ändert, ist noch unklar. In der Schnittmenge zwischen Geo- und Biowissenschaften müssen in Zukunft weitere Fragen bearbeitet werden: Welchen Einfluss haben Mikroorganismen auf Mineralien, welche Rolle spielen Mikroorganismen in der Chemie von Lagerstätten, welche womöglich unbekannten Stoffwechselwege sind umweltrelevant und durch welche Gene werden sie gesteuert?

Minerale

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:06 durch Jana Stone | Impressum