Arktisches marines Ökosystem direkt abhängig von schwindendem Meereis in Alaska | Polarjournal
Im Meereis lebende Kieselalgen, sogenannte Diatomeen, tragen einen wesentlichen Teil zur Primärproduktion in den Polargebieten bei und sind somit eine wesentliche Komponente im Nahrungsnetz. Foto: Julia Hager

Eine neue Studie zeigt, dass Material von Mikroalgen, das aus dem arktischen Meereis stammt, in erheblichem Maße in die marinen Nahrungsnetze integriert ist, die in den Gemeinden in der Region rund um die Beringstraße für den Lebensunterhalt genutzt werden. Die Forschung hat das Potenzial, die Bedeutung von Meereis-Ökosystemen als Nahrungsquelle in arktischen Gewässern in Alaska und darüber hinaus zu demonstrieren.

Die von Wissenschaftlern des University of Maryland Center for Environmental Science geleitete Studie verfolgte persistente biologische Verbindungen, die auf einzigartige Weise von mikroskopisch kleinen Pflanzen im Meereis – den Mikroalgen – erzeugt werden, und stellte fest, dass die Verbindungen in der gesamten Basis des Nahrungsnetzes vorhanden sind. In früheren  Beobachtungen der Primärproduktion im eisbedeckten arktischen Ozean wurde die Chlorophyll-Konzentration mittels Satelliten geschätzt, jedoch womöglich um eine Größenordnung zu niedrig wie sich nun zeigte.

„Es wird allgemein angenommen, dass der Verlust des Meereis-Habitats weitreichende Auswirkungen auf die Ökosysteme der Arktis haben wird“, erklärt Chelsea Wegner Koch, Hauptautorin und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Center for Environmental Science der University of Maryland. „Da das Meereis früher aufbricht und sich jedes Jahr später bildet, dehnt sich der Zeitraum mit offenem Wasser aus und die Nahrungsquellen verlagern sich weg vom Meereis und hin zu größeren Anteilen der Produktion im offenen Wasser. Diese Produktion in Abwesenheit von Meereis unterscheidet sich in Qualität, Quantität und Zeitpunkt des Absinkens zum Meeresboden.”

Tiere am oberen Ende der Nahrungskette wie die Plüschkopfente (Somateria fischeri) sind von der Produktion der Eisalgen als indirekte Nahrungslieferanten abhängig. Foto: Olaf Oliviero Riemer

Die bisherigen Untersuchungen zum proportionalen Beitrag der im Eis lebenden Algen zur Gesamt-Primärproduktion waren unvollständig, da ein spezifischer Biomarker nicht berücksichtigt wurde, der definitiv den Eisalgen und nicht dem Freiwasser-Phytoplankton (dem pflanzlichen Plankton) zugeordnet werden kann. Die untersuchten organischen Verbindungen, die den Meeresboden erreichen, sind mit der Nahrung für eine Reihe von am Meeresboden lebenden Tieren verbunden, die wiederum Nahrung für ökologisch und kulturell wichtige Organismen liefern, wie z.B. Bartrobben, Pazifische Walrosse, Grauwale und Plüschkopfente, die auf dem flachen Meeresboden nach Nahrung suchen.

Biomarker
Als Biomarker dienen Wissenschaftlern bei dieser Art von Forschung bestimmte Lipidverbindungen (HBIs), die sich je nach Algenart aus unterschiedlich langen Kohlenwasserstoff-Ketten zusammensetzen. Für das Signal von Eisalgen nutzen sie ein einfach-ungesättigtes Lipid mit 25 Kohlenstoffatomen, das als “Ice Proxy with 25 carbons” oder kurz IP25 bezeichnet wird. Analog dazu gibt es Biomarker von den im Freiwasser lebenden Algen, die mit HBI II oder HBI III bezeichnet werden. Aus dem proportionalen Anteil der verschiedenen Biomarker können die Anteile der Eis- und Freiwasseralgen an der Primäproduktion festgestellt werden.

Die Studie, die in der Fachzeitschrift PLOS ONE zusammen mit Wissenschaftlern der Clark University, der Université Laval und der Scottish Association for Marine Science veröffentlicht wurde, verwendete Sedimentproben, die während Forschungsfahrten in der Bering- und Tschuktschensee vor Ort gesammelt wurden. Hinzu kamen Proben, die aus einer automatischen, unter dem Eis verankerten Sedimentfalle entnommen wurden, die über den Winter vor der Küste von Wainwright in Alaskas  North Slope Region betrieben wird.
Die Ergebnisse zeigten einen Übergang zu einer stärkeren Abhängigkeit von Material aus Meereis in direktem Zusammenhang mit der Meereisbedeckung, aber die Meereis-Biomarker blieben das ganze Jahr über erhalten und wurden vor allem durch das Schmelzen des Schnees auf der im Winter vorhandenen Meereisbedeckung freigesetzt.

„Insbesondere da die Meereisbedeckung abnimmt – und in den letzten Jahren in der nördlichen Beringsee vernachlässigbar geworden ist – treten wir in eine neue Ära ein, in der wir mit Ansätzen wie diesem bewerten müssen, wie das Ökosystem die grundlegenden Bausteine erhält, die für die Aufrechterhaltung des Nahrungsnetzes erforderlich sind, einschließlich der menschlichen Gemeinschaften, die für die Sicherstellung der Ernährung auf sie angewiesen sind“, beschreibt Wegner Koch die Situation.

Die Studie zeigte auch, dass organisches Material aus dem Meereis schnell die Sedimente des Meeresbodens erreicht, was darauf hindeutet, dass bei einer signifikanten Eisbedeckung im Winter und Frühjahr die langfristigen Reserven an Nahrung für die Tiere am Meeresboden auch dann zugänglich bleiben können, wenn die Primärproduktion zurückgeht. 

„Diese Reserven können in naher Zukunft sich verschiebende Nahrungsquellen für Organismen puffern, die in den Oberflächensedimenten leben, aber in Zukunft wahrscheinlich unzugänglich werden, wenn das derzeitige Meereis weiter abnimmt“, sagt Wegner Koch.

Diagramm zur Primärproduktion, zum Fluss und zum Verbleib der Biomarker IP25 und HBI III. Die Beständigkeit des Meereises nimmt von der nördlichen Beringsee bis zur nordöstlichen Tschuktschensee zu. In der Beringsee gibt es eine kurze Gelegenheit für eine sympagische Produktion (d.h. eis-assoziierte Produktion, gelbe Schattierung) aufgrund des Zeitpunkts des Rückzugs des Meereises und der Rückkehr des Sonnenlichts, gefolgt von ausgedehnten Eisrand- und Freiwasser-Phytoplanktonblüten (grüne Schattierung) im Frühjahr und Herbst. Sympagische Produktion kann in der Tschuktschensee über einen längeren Zeitraum auftreten. Die sympagische IP25-Produktion (gelbe Kreise) tritt aufgrund der ausgedehnten Periode mit offenem Wasser in der nördlichen Beringsee in viel geringeren Proportionen auf als der pelagische HBI III (grüne Kreise). In der Tschuktschensee gibt es einen größeren Anteil von IP25 zu HBI III. Diese relative Proportionalität wird in den Oberflächensedimenten beobachtet, wenn im Sommer Proben entnommen werden (Tortendiagramm). Die sympagischen HBI (gelbe Spirale) werden aufgrund der Aggregation und schnellen Sedimentation in beiden Regionen schnell vergraben, wobei ein größerer Anteil auf dem Tschuktschenschelf verfügbar ist. Die Resuspension (Pfeile nach oben) spielt in der Tschuktschensee eine größere Rolle, da sie die Suspension von IP25 und in der Wassersäule aufrechterhält. Auch die Advektion (horizontale Pfeile) trägt wahrscheinlich stärker zum HBI-Signal in der Tschuktschensee bei als in der nördlichen Beringsee. Grafik: aus Wegner Koch et al. 2020

Die Studie zeigt, dass die Meereis-Biomarker im nördlichen Beringmeer auf einen vergleichsweise geringen Eintrag von Eisalgen in den letzten Jahren und auf ein offeneres, wasserdominiertes System hinweisen, das andere Organismen begünstigen wird, als sie in der Vergangenheit in dieser Region existierten. Eine letzte Schlussfolgerung der Arbeit ist, dass sie potenziell auch genutzt werden kann, um regionale Einblicke in paläoklimatische Hinweise auf die Meereisbedeckung zu gewinnen, da die Meereisverbindungen in den Sedimenten persistieren.  

„Durch die Einbeziehung der umfangreichen vorhandenen Datensätze der Physik und Chemie der Region können wir möglicherweise die Interpretationen der Meereis-Biomarker-Dynamik verbessern, um Veränderungen im Meereis, aber auch die für langfristige Klimastudien in der Region relevante Produktivität aufzuzeigen“, sagt Wegner Koch.

Diese Forschung wurde hauptsächlich von der National Science Foundation und der National Oceanic and Atmospheric Administration finanziert.

Quellen: University of Maryland, Wegner Koch et al. 2020

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