Klimaalarm abgeblasen: Kalkige Mikroalgen zeigen der Ozeanversauerung die kalte Schulter

Das Alfred Wegener-Institut hatte am 5. Dezember 2016 gute Nachrichten zu vermelden:

Winzig kleine Algen, große Widerstandsfähigkeit

Mikroalgen sind mikroskopisch kleine, einzellige Algenarten und eine wichtige Nahrungsquelle im Arktischen Ozean. Dr. Clara Hoppe vom Alfred-Wegener-Institut untersucht, [...], wie sich durch den Klimawandel veränderte Lebensbedingungen auf Mikroalgen im Arktischen Ozean auswirken. Dazu gehört der Anstieg der Wassertemperatur ebenso wie die Versauerung der Ozeane und veränderte Lichtverhältnisse im Wasser aufgrund des Meereisrückgangs. Mikroalgen sind im Gegensatz zu Makroalgen nicht mit dem bloßen Auge erkennbar, sondern mikroskopisch kleine, einzellige Algenarten. Sie sind so winzig, dass ein Milliliter Wasser Abertausende enthalten kann. Da Mikroalgen eine wichtige Nahrungsquelle etwa für Krebstiere wie Krill sind, könnte eine Änderung zum Beispiel ihres Wachstums weitreichende Folgen für das arktische Nahrungsnetz haben.

[...]

„Ich habe jahrelang am Mikroskop gesessen und kaum Unterschiede beobachtet“, stellt Clara Hoppe fest. Was an sich eine gute Tatsache ist, war für die Biologin zunächst gewöhnungsbedürftig. „Ich bin als Forscherin ja quasi darauf gepolt, Veränderungen und Effekte erkennen zu wollen. Aber letztlich habe ich gemerkt, dass es unglaublich spannend ist, dass diese Organismen eben nicht so stark reagieren wie wir es von anderen Arten und Regionen kennen. Ich will herausfinden, warum nicht. Warum sind die Arktischen Mikroalgen so widerstandsfähig? Welche Mechanismen stecken dahinter?“

Eine Theorie hat sie bereits: Die Mikroalgen reagieren unterschiedlich auf Umweltveränderungen wie Temperaturanstiege. Selbst innerhalb einer Art geht nicht jede Mikroalge damit gleich um. Durch diese Flexibilität scheint die Artengemeinschaft insgesamt robuster zu sein. Je höher also die Vielfalt innerhalb einer Art ist, umso besser können die Mikroalgen Veränderungen in ihrer Umwelt abfedern. [...] 

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Bereits ein Jahr (29.11.2015) zuvor hatte Die Welt den Klimaalarm bei den Coccolithen abgeblasen:

Kalkalgen Dieser Meeresbewohner trotzt dem Klimawandel
Ein Szenario des Klimawandels scheint sich nicht zu bestätigen: Die Kalkalgen in den Ozeanen überstehen die Veränderungen überraschend gut. Das Meeresplankton verändert sich – aber anders als gedacht. [...] Bisher fürchtete man, dass die Kalkalgen zu den Organismen gehören, denen der Klimawandel gefährlich zusetzt. Das ist aber bisher nicht eingetreten – im Gegenteil. Die Algen scheinen den Klimawandel gut zu bewältigen. Die Forscher, die das festgestellt haben, sind selbst positiv überrascht. Ein Teil des weltweit ausgestoßenen Kohlendioxids wird von Meeren aufgenommen, die dadurch saurer werden. Die Säure greift die kalkhaltigen Schalen vieler Meeresbewohner an. Das war zumindest die Vermutung. Die Kalkalgen leiden aber nicht. Überraschenderweise seien die Bestände in den vergangenen 50 Jahren global nicht überall rückläufig, berichten US-Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Science“. Im Nordatlantik nimmt die Zahl der Algen sogar zu. [...] 

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Im Prinzip hält sich die Überraschung in Grenzen. Algen sind Pflanzen. Und Pflanzen brauchen CO2. Da nun mehr CO2 zur Verfügung steht als vorher, wachsen die Mikroalgen besser. So einfach ist das. Sinngemäß berichtete dies auch das Bigelow Laboratory for Ocean Sciences am 16. Januar 2016:

Increased carbon dioxide enhances plankton growth

Coccolithophores — tiny calcifying plants that are part of the foundation of the marine food web — have been increasing in relative abundance in the North Atlantic over the last 45 years, as carbon input into ocean waters has increased. Their relative abundance has increased 10 times, or by an order of magnitude, during this sampling period. This finding was diametrically opposed to what scientists had expected since coccolithophores make their plates out of calcium carbonate, which is becoming more difficult as the ocean becomes more acidic and pH is reduced.

These findings were reported in the November 26th edition of Science and based on analysis of nearly a half century of data collected by the long-running Sir Alister Hardy Foundation (SAHFOS) Continuous Plankton Recorder sampling program.

“The results show both the power of long-term time-series of ocean observations for deciphering how marine microbial communities are responding to climate change and offer evidence that the ocean garden is changing,” said Dr. William Balch, senior research scientist at Bigelow Laboratory for Ocean Sciences and a co-author of the paper. “We never expected to see the relative abundance of coccolithophores to increase 10 times in the North Atlantic over barely half a century. If anything, we expected that these sensitive calcifying algae would have decreased in the face of increasing ocean acidification (associated with increasing carbon dioxide entering the ocean from the burning of fossil-fuels). Instead, we see how these carbon-limited organisms appear to be using the extra carbon from CO2 to increase their relative abundance by an order of magnitude.

“This provides one example on how marine communities across an entire ocean basin are responding to increasing carbon dioxide levels. Such real-life examples of the impact of increasing CO2 on marine food webs are important to point out as the world comes together in Paris next week at the United Nations Conference on Climate Change,” Balch added.

“Something strange is happening here, and it’s happening much more quickly than we thought it should,” said Anand Gnanadesikan, associate professor in the Morton K. Blaustein Department of Earth and Planetary Sciences at Johns Hopkins and one of the study’s five authors.

Gnanadesikan said the Science report certainly is good news for creatures that eat coccolithophores, but it’s not clear what those are. “What is worrisome,” he said, “is that our result points out how little we know about how complex ecosystems function.” The result highlights the possibility of rapid ecosystem change, suggesting that prevalent models of how these systems respond to climate change may be too conservative, he said.

Coccolithophores are often referred to as “canaries in the coal mine.” Some of the key coccolithophore species can outcompete other classes of phytoplankton in warmer, more stratified and nutrient-poor waters (such as one might see in a warming ocean). Until this data proved otherwise, scientists thought that they would have more difficulties forming their calcite plates in a more acidic ocean. These results show that coccolithophores are able to use the higher concentration of carbon derived from CO2, combined with warmer temperatures, to increase their growth rate.

When the percentage of coccolithophores in the community goes up, the relative abundance of other groups will go down. The authors found that at local scales, the relative abundance of another important algal class, diatoms, had decreased over the 45 years of sampling.

The team’s analysis was of data taken from the North Atlantic Ocean and North Sea since the mid-1960s compiled by the Continuous Plankton Recorder survey. The CPR survey was launched by British marine biologist Sir Alister Hardy in the early 1930s. Today it is carried on by the Sir Alister Hardy Foundation for Ocean Sciences and is conducted by commercial ships trailing mechanical plankton-gathering gear through the water as they sail their regular routes. Dr. Willie Wilson, formerly a senior research scientist at Bigelow Laboratory, is now director of SAHFOS.

“In the geological record, coccolithophores have been typically more abundant during Earth’s warm interglacial and high CO2 periods. The results presented here are consistent with this and may portend, like the “canary in the coal mine,” where we are headed climatologically,” said Balch.

Journal Reference: S. Rivero-Calle, A. Gnanadesikan, C. E. Del Castillo, W. M. Balch, S. D. Guikema. Multidecadal increase in North Atlantic coccolithophores and the potential role of rising CO2. Science, 2015; 350 (6267): 1533 DOI: 10.1126/science.aaa8026

Auch der Blick zurück in die geologische Vergangenheit deutet daraufhin, dass die Ozeanversauerung für die kalkigen Mikroalgen noch nie eine dominante Rolle gespielt hat. Eine Forschergruppe um Samantha Gibbs veröffentlichte im Dezember 2015 eine Studie in Geology zur Reaktion der Coccolithen auf das einschneidende Ökoereignis an der Paleozän-Eozän-Grenze vor 56 Millionen Jahren. Das Resultat: Extreme Temperatur, nicht Ozeanversauerung war das Hauptproblem für die Coccolithen. Abstract:

Ocean warming, not acidification, controlled coccolithophore response during past greenhouse climate change
Current carbon dioxide emissions are an assumed threat to oceanic calcifying plankton (coccolithophores) not just due to rising sea-surface temperatures, but also because of ocean acidification (OA). This assessment is based on single species culture experiments that are now revealing complex, synergistic, and adaptive responses to such environmental change. Despite this complexity, there is still a widespread perception that coccolithophore calcification will be inhibited by OA. These plankton have an excellent fossil record, and so we can test for the impact of OA during geological carbon cycle events, providing the added advantages of exploring entire communities across real-world major climate perturbation and recovery. Here we target fossil coccolithophore groups (holococcoliths and braarudosphaerids) expected to exhibit greatest sensitivity to acidification because of their reliance on extracellular calcification. Across the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (56 Ma) rapid warming event, the biogeography and abundance of these extracellular calcifiers shifted dramatically, disappearing entirely from low latitudes to become limited to cooler, lower saturation-state areas. By comparing these range shift data with the environmental parameters from an Earth system model, we show that the principal control on these range retractions was temperature, with survival maintained in high-latitude refugia, despite more adverse ocean chemistry conditions. Deleterious effects of OA were only evidenced when twinned with elevated temperatures.