Überraschung: Korallen kommen mit der Ozeanversauerung offenbar doch besser zurecht als lange gedacht

Die Korallen haben nur noch einige Jahrzehnte zu leben, dann macht ihnen die Ozeanversauerung den Gar aus, predigen die Anhänger der klimatischen Katastrophe. Schuld wäre das vom Menschen ausgestoßene CO2, das sich auch im Ozeanwasser anreichert und die biologische Kalkbildung stört. Um der Öffentlichkeit die Problematik effektiver einzutrichtern, wird auch von der „Osteoporose der Meere“ gesprochen.

Wie sieht es nun wirklich aus? Hat der enorme CO2-Anstieg der letzten 150 Jahre bereits zu ersten Opfern in der Korallenwelt geführt? Wie reagieren Korallen in Experimenten auf niedrigere pH-Werte? Und weshalb haben die Korallen im Erdmittelalter vor 150 Millionen Jahren ihre Blütezeit gehabt, obwohl damals der CO2-Gehalt der Atmosphäre ein Vielfaches von heute betragen hat?

Wir beginnen unseren Faktencheck am berühmten Great Barrier Reef in Westaustralien. Ein Forscherteam um Timothy Cooper publizierte im Februar 2012 im Fachblatt Science eine Untersuchung zur Korallenentwicklung der letzten 100 Jahre. Interessanterweise fanden sie in bestimmten Regionen des Riffgebiets keinerlei Abnahme der Kalzifizierungsrate. Die Autoren schließen daraus, dass die Ozeanversauerung während des 20. Jahrhunderts für die untersuchten Korallen keine große Rolle gespielt hat. Hier ein Auszug aus der Kurzfassung der Arbeit:

Growth of Western Australian Corals in the Anthropocene
We show there is no widespread pattern of consistent decline in calcification rates of massive Porites during the 20th century on reefs spanning an 11° latitudinal range in the southeast Indian Ocean off Western Australia. Increasing calcification rates on the high-latitude reefs contrast with the downward trajectory reported for corals on Australia’s Great Barrier Reef and provide additional evidence that recent changes in coral calcification are responses to temperature rather than ocean acidification.

Das chinesische Forscherteam Shi et al. hat sich 2012 in den Science China Earth Sciences sogar die letzten zwei Jahrhunderte angeschaut. Diese Wissenschaftler untersuchten Korallen im südlichen Südchinesischen Meer. Wie haben die Korallen dort den CO2-Anstieg verkraftet? Shi und Kollegen fanden eine Reihe von Phasen in denen die Kalzifizierung zu- und abnahm. Interessanterweise hat die Verkalkungsrate in den letzten 30 Jahren seit 1980 zugenommen, nachdem sie 1920 bis 1980 abgenommen hatte. Einen Bezug der Verkalkung zur CO2-Entwicklung in der Atmosphäre schließen die Autoren explizit aus. Hier die Kurzfassung der Arbeit:

Two centuries-long records of skeletal calcification in massive Porites colonies from Meiji Reef in the southern South China Sea and its responses to atmospheric CO2 and seawater temperature
Rising atmospheric CO2 and warming of the global climate that have occurred since the industrial revolution are regarded as fatal threats to coral reefs. We analyzed the skeletal calcification rate of 14 massive Porites corals from the Meiji Reef in the southern South China Sea through X-ray photography of coral skeletons. A general pattern of change in coral skeletal calcification was determined. The change pattern of coral calcification on the Meiji Reef over the past two centuries can be divided into five periods: calcification increase in 1770–1830, 1870–1920, and 1980–2000 and calcification decline in 1830–1870 and 1920–1980. Over the past two centuries, the largest increase in calcification was 4.5%, occurring in 1770–1830, whereas the largest decline in calcification was 6.2%, occurring in 1920–1980. Coral calcification slightly increased in the recent 20 years (1980–2000). The response relationship of coral calcification to atmospheric CO2 and sea surface temperature (SST) shows that calcification was not correlated with atmospheric CO2 but responded nonlinearly to SST with maxima at 27.2°C in 1900–2000. On the Meiji Reef, increasing atmospheric CO2 had a negligible effect on coral growth in the past century. However, rising SST improved coral growth in the early and middle 20th century, and restricted coral growth in the recent 20 years.

Wie schaffen es die Korallen nur, sich gegen die schleichende Versauerung zu schützen? Das könnte man auch den Menschen fragen: Wie schafft ihr es im Winter bei den kalten Temperaturen zu überleben? Antwort: Wir Menschen schaffen uns in geheizten Häusern ein angenehmes Mikroklima, das uns gegen die Kälte schützt. Und nichts anderes tun offenbar auch die Korallen. Sie haben Mechanismen entwickelt, den pH-Wert in ihren Organismen künstlich heraufzusetzen und sich so gegen das aggressivere Meerwasser zu schützen. Der Innovations Report berichtete am 21. August 2012:

Wissenschaftler an dem zum Nationalen Forschungsrat CNR gehörenden Istituto delle Scienze Marine haben einen Mechanismus aufgedeckt, mit dem sich bestimmte Korallenarten gegen den Klimawandel schützen. Damit ist die fortschreitende Versäuerung der Weltmeere in anderes Licht gerückt […] “Dabei haben wir festgestellt, dass aragonitische Korallen wie beispielsweise Acropora und Porites einen Anpassungsmodus besitzen, mit dem der im Inneren herrschende pH-Wert erhöht werden kann.”

In der Kurzfassung der im April 2012 in Nature Climate Change erschienenen Arbeit schreiben Malcolm McCulloch und Kollegen:

Using boron isotope systematics, we show how scleractinian corals up-regulate pH at their site of calcification such that internal changes are approximately one-half of those in ambient seawater. This species-dependent pH-buffering capacity enables aragonitic corals to raise the saturation state of their calcifying medium, thereby increasing calcification rates at little additional energy cost. Using a model of pH regulation combined with abiotic calcification, we show that the enhanced kinetics of calcification owing to higher temperatures has the potential to counter the effects of ocean acidification.

In einer weiteren Arbeit, die wenige Monate später im Juni 2012 in Geochimica et Cosmochimica Acta erschien, ergänzte das Team um McCulloch weitere Details. Auszug aus der Kurzfassung:

Resilience of cold-water scleractinian corals to ocean acidification: Boron isotopic systematics of pH and saturation state up-regulation
We also show that the relatively strong up-regulation of pH and consequent elevation of the internal carbonate saturation state (Ωcf 8.5 to 13) at the site of calcification by cold-water corals, facilitates calcification at or in some cases below the aragonite saturation horizon, providing a greater ability to adapt to the already low and now decreasing carbonate ion concentrations.

Bereits im Dezember 2011 hatte ein Forscherteam um Ronald Thresher in der Marine Ecology Progress Series eine Arbeit vorgelegt, in der eine erstaunlich große Toleranz von Korallen in Südwest-Australien beschrieben wird. Sie fanden spezielle Korallentypen, die bei 20-30% Karbonatuntersättigung bestens gediehen. Hier die Kurzfassung im Orginal:

Effects of chronic low carbonate saturation levels on the distribution, growth and skeletal chemistry of deep-sea corals and other seamount megabenthos
Ocean acidification has been predicted to reduce the ability of marine organisms to produce carbonate skeletons, threatening their long-term viability and severely impacting marine ecosystems. Corals, as ecosystem engineers, have been identified as particularly vulnerable and important. To determine the sensitivity of corals and allied taxa to long-term exposure to very low carbonate concentrations, we examined the distribution and skeletal characteristics of coral taxa along a natural deep-sea concentration gradient on seamounts of SW Australia. Carbonate under-saturation had little evident effect on the depth distribution, growth or skeletal composition of live scleractinians or gorgonians, with corals growing, often abundantly, in waters as much as 20 to 30% under-saturated. Developmental anomalies in the deepest skeleton-forming anthozoan collected (an isidid gorgonian, at nearly 4 km depth) suggest an absolute low tolerance limit of about 40% under-saturation. Evidence for an effect of acidification on the accumulation of reef structure is ambiguous, with clear indications of dissolution of high-magnesium calcite (HMC) gorgonian skeletons at depths below 2300 m, but also abundant, old scleractinian skeletons well below the aragonite saturation horizon. The latter might be the result of ferromanganese deposition on exposed skeletons, which, however, may render them inhospitable for benthic organisms.

Im Mai 2013 erschien im Fachblatt PLOS One eine Studie eines Teams um Sam Noonan vom Australian Institute of Marine Science. Die Forscher untersuchten Korallen in Papua Neuguinea und fanden, dass sich die Korallen auch in CO2-angereicherten Meeresbereichen – wie etwa in der Nähe von vulkanischen CO2-Austritten – gut entwickelten. Hier die Kurzfassung:

Symbiodinium Community Composition in Scleractinian Corals Is Not Affected by Life-Long Exposure to Elevated Carbon Dioxide
Ocean acidification (OA) is expected to negatively affect coral reefs, however little is known about how OA will change the coral-algal symbiosis on which reefs ultimately depend. This study investigated whether there would be differences in coral Symbiodinium types in response to OA, potentially improving coral performance. We used denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) of the internal transcribed spacer 2 (ITS2) region of ribosomal DNA to investigate the dominant types of Symbiodinium associating with six species of scleractinian coral that were exposed to elevated partial pressures of carbon dioxide (pCO2) in situ from settlement and throughout their lives. The study was conducted at three naturally occurring volcanic CO2 seeps (pCO2 ~500 to 900 ppm, pHTotal 7.8 – 7.9) and adjacent control areas (pCO2 ~390 ppm, pHTotal ~8.0 – 8.05) in Papua New Guinea. The Symbiodinium associated with corals living in an extreme seep site (pCO2 >1000 ppm) were also examined. Ten clade C types and three clade D types dominated the 443 coral samples. Symbiodinium types strongly contrasted between coral species, however, no differences were observed due to CO2 exposure. Within five species, 85 – 95% of samples exhibited the same Symbiodinium type across all sites, with remaining rare types having no patterns attributable to CO2 exposure. The sixth species of coral displayed site specific differences in Symbiodinium types, unrelated to CO2 exposure. Symbiodinium types from the coral inhabiting the extreme CO2 seep site were found commonly throughout the moderate seeps and control areas. Our finding that symbiotic associations did not change in response to CO2 exposure suggest that, within the six coral hosts, none of the investigated 13 clade C and D Symbiodinium types had a selective advantage at high pCO2. Acclimatisation through changing symbiotic association therefore does not seem to be an option for Indo-Pacific corals to deal with future OA.

Am 16. Januar 2014 berichtete die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) auf ihrer Webseite über eine sensationelle Entdeckung. Eine Forschergruppe der Woods Hole Oceanographic Institution um Kathryn Shamberger untersuchte Korallenriffe der Südseeinsel Palau und fand unerwartet stark versauerte Bedingungen im Meerwasser, die jenen nahekamen, die vom IPCC für 2100 prognostiziert werden. Zu ihrer großen Überraschung hinderten die niedrigen pH-Werte das Wachstum der Korallen jedoch in keinster Weise. Im Gegenteil, Shamberger und Kollegen registrierten die artenreichsten und weitflächigsten Korallenlandschaften genau in jenen Anschnitten, die am sauersten waren. Der deutschen Presse waren die aufregenden Ergebnisse so ungeheuer, dass sie keinen Pieps machte. Machen Sie selber die Probe aufs Exempel, googlen Sie „Shamberger, Korallen, Palau“. Ergebnis: Keines! Im Folgenden die Pressemitteilung der NSF (Auszug):

Palau’s coral reefs surprisingly resistant to ocean acidification
Corals living in more acidic waters are healthy, but is the situation one-of-a-kind?

Marine scientists working on the coral reefs of Palau have made two unexpected discoveries that could provide insight into corals’ resistance and resilience to ocean acidification. The team collected water samples at nine points along a transect that stretched from the open ocean, across a barrier reef, into a lagoon, and into the bays and inlets around the Rock Islands of Palau in the western Pacific Ocean. With each location they found that the seawater became increasingly more acidic as they moved toward land. “When we first plotted those data, we were shocked,” said chemical oceanographer Kathryn Shamberger of the Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI). “We had no idea the level of acidification we would find. We’re looking at reefs today that have levels that we expect for the open ocean in that region by the end of the century.”

Shamberger conducted the fieldwork with other WHOI researchers, including biogeochemist Anne Cohen, as well as with scientists from the Palau International Coral Reef Center. The National Science Foundation (NSF) funded the research through its Ocean Acidification Program, part of the agency’s Science, Engineering and Education for Sustainability Investment. “This important study documents a coral reef system that’s apparently resistant to the effects of ocean acidification,” said David Garrison, program director in NSF’s Division of Ocean Sciences. “Understanding what factors account for this will be critical follow-on research.” While ocean chemistry varies naturally at different locations, it is changing around the world due to increased levels of carbon dioxide in the atmosphere. The ocean absorbs atmospheric carbon dioxide, which reacts with seawater, lowering the water’s overall pH and making it more acidic. This process also removes carbonate ions needed by corals and other organisms to build their skeletons and shells. Corals growing in low pH conditions, both in laboratory experiments that simulate future conditions and in other naturally low pH ocean environments show a range of negative effects. These include juveniles of various species with difficulty constructing skeletons, fewer varieties of corals, less coral cover, more algae growth and more porous corals with greater signs of erosion from other organisms.

The new research results, published in a paper in Geophysical Research Letters, a journal of the American Geophysical Union, explain the biological and geomorphological causes of the more acidic waters near Palau’s Rock Islands. The paper also describes a surprising second finding–that the corals living in those more acidic waters were unexpectedly diverse and healthy. The unusual finding, contrary to what has been observed in other naturally low pH coral reef ecosystems, has important implications for the conservation of corals in all parts of the world. “When you move from a high pH reef to a low pH neighboring reef, there are big changes, and they are negative changes,” said Cohen, a co-author of the paper and principal investigaor of the project. “However, in Palau wherever the water is most acidic, we see the opposite. There’s a coral community that is more diverse, hosts more species and has greater coral cover than in the non-acidic sites.

Die Arbeit von Shamberger et al. erschien Januar 2014 in den Geophysical Research Letters. Hier die Kurzfassung:

Diverse coral communities in naturally acidified waters of a Western Pacific reef
Anthropogenic carbon dioxide emissions are acidifying the oceans, reducing the concentration of carbonate ions ([CO32−]) that calcifying organisms need to build and cement coral reefs. To date, studies of a handful of naturally acidified reef systems reveal depauperate communities, sometimes with reduced coral cover and calcification rates, consistent with results of laboratory-based studies. Here we report the existence of highly diverse, coral-dominated reef communities under chronically low pH and aragonite saturation state (Ωar). Biological and hydrographic processes change the chemistry of the seawater moving across the barrier reefs and into Palau’s Rock Island bays, where levels of acidification approach those projected for the western tropical Pacific open ocean by 2100. Nevertheless, coral diversity, cover, and calcification rates are maintained across this natural acidification gradient. Identifying the combination of biological and environmental factors that enable these communities to persist could provide important insights into the future of coral reefs under anthropogenic acidification.

Im Jahr 2012 publizierte Ian Sandeman im Fachblatt Revista de Biología Tropical eine Studie, in der er Korallen einem leicht saurerem Regime mit reduzierten pH-Werten aussetzte. Interessanterweise reagierten die lebenden Korallen mit einem gesteigerten Wachstum. NIPCC berichtete über die Arbeit:

In a study designed to explore what controls calcification in corals, Sandeman (2012) suspended – by means of a torsion microbalance (as per Kesling and Crafts, 1962) – small pieces of coral that he carefully removed from the edges of thin plates of Agaricia agaricites corals and lowered into gently-stirred temperature-controlled seawater, after which he used the microbalance to measure coral net calcification rates over a range of seawater temperature and pH. Results of the experiment indicated that calcification rates of live A. agaricites coral increased by 15-17.7% per °C as seawater temperature rose from 27 to 29.5°C; and in his experiments in which the pH of the seawater was reduced from an average of 8.2 to 7.6, he observed that calcification in living corals increased significantly. On the other hand, similar experiments conducted with small portions of dead coral skeleton revealed that “when the average pH was reduced from 8.2 to 7.5, calcification rate decreased.” More specifically, he determined that the difference between calcification rates in going from seawater of pH 8.2 to seawater of pH 7.8 ranged from +30% for coral with no dead areas to -21.5% for coral with 30% dead exposed surface area. Commenting on the anaylsis, the Trent University researcher from Peterborough, Ontario (Canada) says his findings suggest that lower seawater pH due to atmospheric CO2 enrichment and increased temperature (but short of reaching the bleaching level) “will both enhance active biotic calcification.” And he therefore states that the wide range of results between his and other scientists’ studies of calcification rate and carbon dioxide “may be explainable in terms of the ratio of ‘live’ to ‘dead’ areas of coral,” as is also suggested by the work of Rodolfo-Metalpa et al. (2011) and Ries (2011), all of which information leads him to conclude that coral species that typically have smaller areas of exposed dead surface “may have a better chance of survival as pH levels drop.”

Und schließlich wollen wir noch auf eine Studie von Armin Form und Ulf Riebesell eingehen, die im März 2012 in Global Change Biology erschien. Dabei fanden die Forscher dass sich Kaltwasserkorallen viel besser an saureres Meerwasser anpassen können als gedacht. Nach einer Eingewöhnungsfrist von einem halben Jahr, konnten sie ihre Verkalkungsrate sogar gegenüber den Startbedingungen steigern. Hier die Kurzfassung:

Acclimation to ocean acidification during long-term CO2 exposure in the cold-water coral Lophelia pertusa
Ocean acidity has increased by 30% since preindustrial times due to the uptake of anthropogenic CO2 and is projected to rise by another 120% before 2100 if CO2 emissions continue at current rates. Ocean acidification is expected to have wide-ranging impacts on marine life, including reduced growth and net erosion of coral reefs. Our present understanding of the impacts of ocean acidification on marine life, however, relies heavily on results from short-term CO2 perturbation studies. Here, we present results from the first long-term CO2 perturbation study on the dominant reef-building cold-water coral Lophelia pertusa and relate them to results from a short-term study to compare the effect of exposure time on the coral’s responses. Short-term (1 week) high CO2 exposure resulted in a decline of calcification by 26–29% for a pH decrease of 0.1 units and net dissolution of calcium carbonate. In contrast, L. pertusa was capable to acclimate to acidified conditions in long-term (6 months) incubations, leading to even slightly enhanced rates of calcification. Net growth is sustained even in waters sub-saturated with respect to aragonite. Acclimation to seawater acidification did not cause a measurable increase in metabolic rates. This is the first evidence of successful acclimation in a coral species to ocean acidification, emphasizing the general need for long-term incubations in ocean acidification research. To conclude on the sensitivity of cold-water coral reefs to future ocean acidification further ecophysiological studies are necessary which should also encompass the role of food availability and rising temperatures.

Ganz so aussichtslos, wie es uns von interessierten Kreisen immer weisgemacht wird, scheint es um die Korallen nun doch nicht zu stehen. Alex Reichmuth hatte am 26. Juli 2012 in einem Artikel in der Weltwoche bereits darauf hingewiesen. Das Establishment kratzte dies wenig und spann seine Alarmstories munter weiter.

Ausbleibendes Korallensterben

Übersäuerung und Erwärmung der Ozeane bedrohen die Korallenriffe. Wirklich? Forschungen zeigen, dass diese Meeresorganismen weit widerstandsfähiger sind als angenommen.

Von Alex Reichmuth

In der Titelgeschichte der Weltwoche von letzter Woche zeichnete James Hamilton-Paterson ein düsteres Bild vom Zustand der Weltmeere. Der Autor warnte vor Überfischung, mechanischer Zerstörung und Verschmutzung der Ozeane. Er schrieb weiter, Meerestiere, die Skelette und Schalen auf Basis von Kalziumkarbonat bilden (wie Korallen, Hummer, Muscheln oder Seeigel), seien durch eine zunehmende Übersäuerung des Meerwassers bedroht: «Möglicherweise werden Korallen auf diesem Planeten bis zum Ende des Jahrhunderts ausgestorben sein.»

Es gehört zu den verbreitetsten Ängsten, die mit dem Klimawandel einhergehen, dass die Weltmeere wegen des höheren CO2-Gehalts der Atmosphäre zunehmend versauern (infolge Kohlensäure-Eintrag) und dies kalkbildenden Organismen zum Verhängnis wird. Auch wird befürchtet, dass steigende Wassertemperaturen Korallen vermehrt absterben lassen. Allerdings: Neue Forschungsresultate bestätigen solche Befürchtungen keinesfalls.

In diesem Frühling publizierten australische Forscher die Resultate einer grossangelegten Studie zum Zustand des Great Barrier Reef (GBR) vor der Küste Australiens, das angeblich besonders bedroht sein soll. Die Wissenschaftler hatten 35 000 Korallenkolonien von 33 Teilriffen einbezogen. Sie kamen zum Schluss, dass veränderte Umweltbedingungen zwar einigen Korallenarten zusetzen, anderen Arten aber neue Chancen bieten. Der Klimawandel dürfte insgesamt zwar zu Veränderungen des GBR führen, nicht aber zu dessen Verlust. Bereits letztes Jahr hatte eine ebenfalls australische Studie gezeigt, dass die Bedeckung des GBR mit Korallen seit 1995 nicht zurückgegangen ist.

Gar eine positive Entwicklung von Korallen zeigte im letzten Winter eine andere Untersuchung zum Zustand australischer Riffe. Die Proben an 27 Riffen zeigten, dass das Korallenwachstum in den letzten 110 Jahren zugenommen hat. Insbesondere in südlicheren, kälteren Gebieten, wo sich das Wasser am stärksten erwärmt hat, wachsen die Korallen besser als früher. Zu einem ähnlichen Schluss kam eine Studie vor den Küsten Japans: Dank steigenden Wassertemperaturen konnten sich die Korallen in den letzten 80 Jahren zusätzlichen Lebensraum erobern und haben sich mit einer Geschwindigkeit von 14 Kilometern pro Jahr nordwärts ausgebreitet.

Muschelwachstum trotz saurem Wasser

Der durchschnittliche pH-Wert der Ozeane hat seit Beginn der Industrialisierung von 8,2 auf 8,1 abgenommen. Die Ozeane sind also etwas saurer geworden. Falls die Prognosen stimmen, könnte der pH-Wert bis Ende Jahrhundert bis 7,8 sinken. Allerdings gibt es grosse regionale Unterschiede. Weite Teile der Westküste Mittel- und Südamerikas weisen schon heute einen pH-Wert von 7,8 oder tiefer aus, ohne dass negative Folgen für kalkbildende Meeresbewohner bekannt sind. Eine 2009 publizierte Studie zeigt, dass es an einem Unterwasser-Vulkan im Pazifik üppige Muschelkulturen gibt, obwohl Gase aus dem Erdinnern für extrem saures Wasser sorgen.

Eine mögliche Erklärung, warum es Korallen und ähnlichen Tieren trotz saurerem Wasser gutgeht, liefert eine kürzlich von australischen und französischen Forschern veröffentlichte Studie. Gemäss dieser haben gewisse Meeresorganismen einen internen Schutzmechanismus, der sie mit saureren Verhältnissen umgehen lässt. Die meisten Korallenarten scheinen zu diesen zu gehören.

Die wissenschaftlichen Resultate zeigen: Warnungen, das Handeln des Menschen führe zu einer Katastrophe, sind zwar weitverbreitet und populär. Die Realität hält sich aber selten an die Untergangsprognosen.

 

Einführende Beiträge zur Ozeanversauerung sind auch auf EIKE erschienen (hier und hier).