Meereis als Lebensraum

Die Kontinente „wandern“. Im Laufe von Jahrmillionen verändern sie ihre Lage um Hunderte oder gar Tausende Kilometer. Diese Kontinentaldrift hat dazu geführt, dass am Nord- und Südpol zwei einzigartige Gebiete entstanden sind, die sich durch extreme klimatische Bedingungen auszeichnen – die Arktis und die Antarktis. Pflanzen und Tiere, die hier leben, müssen an dieses raue Klima besonders angepasst sein. Die Organismen müssen mit der Eisbedeckung, niedrigen Temperaturen und stark schwankenden Salzgehalten umgehen können. Hinzu kommt der Wechsel von Hell und Dunkel. Während der Polarnacht scheint die Sonne in den Polarregionen gar nicht. Im Sommer ist es rund um die Uhr hell. Algen, die hier heimisch sind, unterliegen damit einem saisonal stark schwankenden Lichtangebot. Da sie bei Dunkelheit weder wachsen noch sich vermehren können, ist die Produktion an Biomasse, die sogenannte Primärproduktion, hier in der dunklen Zeit im Vergleich zu anderen Meeresregionen deutlich geringer. Für Lebewesen, die sich von den Algen ernähren, bedeutet das, dass sie mit einem zeitweise stark limitierten Nahrungsangebot zurechtkommen müssen.

Bekannt ist, dass das Artenspektrum des Arktischen Ozeans und des Südlichen Ozeans immens ist. Die genauen Zahlen sind bis heute nicht bekannt, weil große Teile der polaren Tiefsee unerforscht und umfassende Artenzählungen noch immer schwierig durchzuführen sind. Zu den Bewohnern der Arktis und Antarktis zählen winzige Organismen wie Bakterien, Archaeen oder Mikroalgen, wirbellose Tiere, Fische, Robben oder auch Wale. Sie nehmen hier unterschiedliche Nischen ein. Manche Arten wohnen auf dem Meereis, andere am Rande der Meereisflächen, unter oder im Eis.

Allgemein bezeichnen Fachleute die Lebewesen, die in den Polargebieten heimisch sind, als kälteliebend. Sie können hier existieren, weil ihr Stoffwechsel an die Bedingungen bestens angepasst ist. Beispielsweise können manche Organismen nach dem Winter, wenn es langsam wieder wärmer wird, sehr schnell ihr Wachstum hochfahren – insbesondere Mikroorganismen. Dadurch kommt das Ökosystem bereits bei geringen Temperaturerhöhungen nach dem Winter schnell wieder in Schwung. Dieses schnelle Hochfahren des Stoffwechsels lässt sich damit erklären, dass die Aufnahme von anorganischen und organischen Stoffen – und damit auch von Nährstoffen – temperaturabhängig ist. So besagt die sogenannte Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel, dass chemische Reaktionen bei einer Erhöhung der Temperatur um 10 Grad Celsius um das Zwei- bis Dreifache beschleunigt werden.

Allerdings erwärmt sich nicht die gesamte Meereismasse gleichmäßig. So herrschen innerhalb einer Eisschicht unterschiedliche Temperaturen. Dabei verläuft der Temperaturunterschied mehr oder weniger linear von oben nach unten. Dieser zeigt im vereinfachten Fall ein Temperaturgleichgewicht an der Grenze von der Atmosphäre zum Eis sowie an der Grenze zwischen dem Eis und dem Meerwasser (Arrigo, 2014). Die Temperaturen sind dabei im Winter an der Eisoberfläche niedriger, weil die Atmosphäre deutlich kälter als das Meer ist. Das Eis wirkt also isolierend auf das darunterliegende Meerwasser. Letztlich verringert das Eis den Wärmeaustausch zwischen dem Meerwasser und der Atmosphäre. Schnee auf dem Eis wirkt zusätzlich isolierend und kann den Wärmaustausch mit der Atmosphäre noch weiter verlangsamen (siehe Abbildung 1).

Überhaupt sind die Lebewesen im arktischen und antarktischen Ökosystem über ein komplexes Nahrungsnetz (Abbildung 6 und 7) miteinander verbunden. Es gibt viele Wechselwirkungen, die die Lebewesen zum Teil stark voneinander abhängig machen. Das Nahrungsnetz besteht aus unterschiedlichen Ernährungsstufen, den Trophiestufen. Dabei werden einer Trophiestufe jene Organismen zugeordnet, die dieselbe Art der Ernährung haben – etwa jene Tiere, die sich von Algen ernähren. Tiere höherer Trophiestufen ernähren sich von Organismen darunterliegender Trophiestufen. Um die komplexen Prozesse im Nahrungsnetz zu vereinfachen, werden die wesentlichen Trophiestufen im Folgenden anhand einer vereinfachten Nahrungskette beschrieben. Innerhalb dieser Nahrungskette verläuft der Energie- und Stofffluss von den Primärproduzenten, den Photosynthese-treibenden Organismen (niedrigste Trophiestufe) bis zu den Tertiärkonsumenten, etwa Eisbären und Robben (höchste Trophiestufe).

Die Nahrungskette besteht somit aus Stufe 1, den Primärproduzenten, Stufe 2, den Primärkonsumenten, Stufe 3 und 4, den Sekundär- und Tertiärkonsumenten. Die Nahrung der Primärkonsumenten, zum Beispiel der Zooplankter, besteht aus Algen, während die Sekundär- und Tertiärkonsumenten sich von tierischer Nahrung der Stufe 2 und 3 ernähren. Bei jedem Übergang von einer in die nächste Trophiestufe geht Energie verloren, weil die Organismen Energie verbrauchen – beispielsweise für die Fortbewegung, die Fortpflanzung oder zur Erzeugung von Körperwärme. So werden etwa 10 Prozent der verfügbaren Nahrung bei jedem Übergang zur nächsthöheren Trophiestufe für den Aufbau von Körpermasse genutzt (Nentwig et al., 2011). Bei einer Nahrungskette mit Primärproduktion und drei darauffolgenden Trophiestufen stehen den Organismen der höchsten und letzten Trophiestufe somit theoretisch nur noch 0,1 Prozent der Primärproduktion zur Verfügung.

In der Realität treten allerdings zahlreiche Zwischenstufen auf. So können zum Beispiel Ruderfußkrebse sowohl Algen als auch tierische Nahrung aufnehmen, damit lassen sie sich zwei Trophiestufen zuordnen. Um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Arten realistischer zu beschreiben, nutzen Fachleute daher oft detaillierte Nahrungsnetze als Darstellungsform. Neben den Produzenten und Konsumenten sind die Destruenten (Zersetzer) ebenfalls Teil des Nahrungsnetzes, dazu zählen insbesondere Mikroorganismen, die das organische Material aller Trophiestufen verwerten. Durch den Prozess der Zersetzung werden organische Stoffe remineralisiert und als anorganische Nährstoffe freigesetzt. Diese werden dann wieder von den Primärproduzenten aufgenommen, die über die Photosynthese organische Substanz aufbauen. Damit schließt sich der Kreislauf.

Mit dem Leben in der Arktis und Antarktis assoziieren viele Menschen typische Tierarten wie Eisbären, Pinguine,  Robben oder Wale. Ungemein vielfältig ist aber auch das Leben auf der Mikroskala. Im Eis findet man eine große Zahl verschiedener Organismen, neben Algen und Mikroorganismen unter anderem auch Fadenwürmer. Diese Lebewesen besiedeln die Solekanäle, wobei es häufig zu großen Ansammlungen dieser Gemeinschaften an der Oberfläche oder an der Grenzschicht zum Wasser kommt (Abbildung 4), weil das Wasser wichtige Nährstoffe bereitstellt. So entsteht beispielsweise an der Grenze zwischen Meereis und Meerwasser durch den Austritt von Sole und das Eiswachstum ein Konvektionsstrom, der nährstoffreiches Wasser zum Eis hin transportiert. Einen wichtigen Lebensraum stellt auch das landgebundene Plättcheneis dar, das sich an den Rändern der antarktischen Schelfeisgebiete unter dem Meereis bildet. Es ist dünn und porös und ermöglicht dadurch einen starken Austausch mit dem nährstoffreichen Meerwasser. Vor allem in den oberen Schichten des Plättcheneises finden sich große Algenkonzentrationen, da hier am meisten Licht vorhanden ist (Arrigo, 2014). Überhaupt kann das Wachstum von Algen an der Eisunterkante beträchtlich sein. Die arktische Kieselalgenart Melosira arctica (Abbildung 8)  und die antarktische Alge Berkeleya antarctica kommen oft als Stranggemeinschaften vor. Als Stranggemeinschaft bezeichnet man Algenketten, die fadenartig vom Eis nach unten wachsen. Die Stranggemeinschaften liefern große Mengen an Biomasse und erreichen Längen von mehreren Metern. Wenn das Eis schmilzt, verlieren die Algen ihren Halt und sinken zum Meeresboden. Damit sind sie nicht zuletzt eine wichtige Nahrungsquelle für die benthische Lebenswelt (Boetius et al., 2013).