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).

Ein weiterer wichtiger Umweltparameter, der das Leben im Eis beeinflusst, ist der Salzgehalt, die sogenannte Salinität. Entscheidend ist, dass die Salinität im Eis von der im gewöhnlichen Meerwasser abweicht und deutlich größer sein kann. Eine hohe Salinität kann dazu führen, dass Algen, die normalerweise im Eis leben, dort zeitweise nicht existieren können. Die Ursache dafür liegt in der Feinstruktur des Eises. Gefriert Meerwasser, wird ein Großteil des gelösten Salzes des Meerwassers nicht mit in die Kristallstruktur des Meereises eingebaut. Stattdessen wird es ausgestoßen und sinkt in die Wasserschichten unter dem Eis. Je älter das Eis wird, desto mehr Salz verlässt das Eis, sprich desto süßer wird es. Das zurückgebliebene Salz findet sich im Eis als hochkonzentriertes Salzwasser, welches als Sole bezeichnet wird. Aufgrund dieser hohen Salinität gefriert die Sole nicht, sondern bildet Kanäle und Tasche. Diese tragen dazu bei, dass das Eis porös ist (siehe Abbildung 2). Fachleute können anhand der Struktur der Solekanäle und des Solevolumens die unterschiedlichen Altersklassen des Eises bestimmen. Im Meereis befinden sich also Bereiche unterschiedlicher Salinität – das eigentliche Eis, das kaum Salz enthält und die Solekanäle. Betrachtet man den ganzen Eiskörper von seiner Oberseite bis zur Unterseite hat das stärker ausgesüßte mehrjährige Meereis im Schnitt eine Salinität von 1, einjähriges Eis von 5 bis 8 (siehe Abbildung 3). Zur geringeren Salinität des mehrjährigen Eises trägt auch Schnee bei, der sich auf dem Eis ablagert, wieder schmilzt und durch das Schmelzwasser das Eis aussüßt. Zum Vergleich: Meerwasser hat eine Salinität von etwa 35.

Doch auch unabhängig davon, schwankt die Salinität des Eises im Laufe des Jahres. Bei niedrigen Temperaturen im Winter, wenn das Eis verfestigt ist, ist der Salzgehalt in den Solekanälen sehr hoch (bis zu 150). Im Frühling, wenn das Meereis schmilzt, oder auch im Herbst, wenn sich das Meereis bildet und der Austausch mit dem Meerwasser gegeben ist, erreicht der Salzgehalt jedoch ähnliche Werte wie das Meerwasser (Arrigo, 2014). Die Algen sind so flexibel, dass sie in der Regel mit den Salzgehaltsschwankungen zurechtkommen. Sie ertragen einen Salzgehalt von 15 bis 30 während der Schmelzperiode, aber auch höhere Salzgehalte im Winter.

Der entscheidende Faktor für das Wachstum und die Vermehrung der Algen ist jedoch das Licht. Wie Landpflanzen auch betreiben Algen Photosynthese, bei der sie Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen und zu Biomasse verarbeiten, die große Mengen an energiereichen Zuckern enthält. Das Eis schwächt den Lichteinfall ins Meer, insbesondere wenn es mehrjährig und dick ist oder wenn es von einer Schneeschicht bedeckt ist. Eine Rolle spielt hier vor allem die Reflektion des Sonnenlichtes. Das Maß für das Reflektionsvermögen wird als Albedo bezeichnet. Messungen haben gezeigt, dass eine schneebedeckte Eisschicht eine Albedo von mehr als 80 Prozent erreichen kann. Ist die Schneedecke nass, ist die Strahlungsreflektion jedoch geringer, da der Schnee dunkler ist und damit ein größerer Teil der Sonnenstrahlung absorbiert wird. Unter einer solchen Schneedecke dringt das Licht nur etwa einen Meter tief ins Eis ein. Doch selbst wenn das Eis frei von Schnee ist, wird es eher schwach von Licht durchdrungen. Ähnlich wie Schattenpflanzen haben sich die Photosynthese-treibenden Algen im Meereis an diese Bedingungen angepasst. Sie kommen mit wenig Licht zurecht und beginnen bereits früh im Jahr mit der Photosynthese, wenn das Lichtangebot für andere Algen im Meer noch zu gering ist (Arrigo, 2014).
 
Noch extremer sind die Lichtverhältnisse in den größeren Meerestiefen der arktischen und antarktischen Gewässer. An den Meeresboden dringt so gut wie gar kein Licht mehr. Am Meeresboden lebende Organismen, der Benthos, können daher keine Photosynthese betreiben. Eine Ausnahme sind die flacheren Küstengewässer, in denen ein Teil des Lichts noch bis zum Meeresboden vordringt (Piepenburg & Gutt 2014). Zum Mangel an Licht kommen am Meeresboden noch die niedrigen Temperaturen und die Nahrungsknappheit hinzu. Die benthische Lebenswelt in den Polarregionen ist daher sehr stark von dem organischen Material abhängig, das von der Meeresoberfläche und aus dem Eis zum Meeresboden hinabsinkt. Wie viel Material zum Meeresboden gelangt, ist von zwei Faktoren abhängig: zum einen von der Menge an Biomasse, die die Eisalgen und die frei im Wasser treibenden Meeresalgen produzieren, zum anderen davon, wie stark diese Algenbiomasse im Wasser umgesetzt wird. Algen werden von Zooplankton-Organismen gefressen, die Kot ausscheiden, der zum Meeresboden sinkt. Auch abgestorbene Zooplankter oder Algen sinken nach und nach ab. Doch werden Kot und Planktonreste beim Absinken teils von Mikroorganismen verarbeitet, sodass nur ein Teil der ursprünglich von den Algen produzierten Biomasse bis zum Meeresboden gelangt.

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 Schelfeis gebiete 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 (Abbildung 9 und 10). 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).

Auch für viele andere Organismen sind Eisalgen eine fundamental wichtige Nahrungsquelle. Eisalgen gelangen zum Teil mit der Sole aus dem Eis ins Meerwasser. Größere Mengen an Algen werden frei, wenn das Eis im Frühjahr schmilzt. Da das Schmelzwasser weniger Salz als das umgebende Meerwasser enthält und eine geringe Dichte hat, bildet es eine stabile Oberflächenschicht. In dieser Schicht konzentrieren sich die Algen. Da sie sich nahe der Wasseroberfläche befinden, haben sie optimale Lichtbedingungen. Vor allem an den Rändern der großen Meereisflächen sind die Lichtbedingungen ideal, sodass es hier im Frühjahr zu großen Algenblüten kommt. Davon profitieren die Primärkonsumenten – etwa Floh- und Ruderfußkrebse oder Fischlarven, die man zum tierischen Plankton, dem Zooplankton, zählt. Auch kleine Fische ernähren sich von den Algen. Mit den Algenblüten nimmt also zwangsläufig auch die Masse des Zooplanktons zu, das wiederum die Tiere der nächsten Trophiestufe anlockt, die Sekundärkonsumenten, zu denen größere Fische und Vögel zählen. Die größeren Fische schließlich werden von Tertiärkonsumenten wie zum Beispiel Robben, Narwalen und Eisbären gefressen, die zu den Endgliedern des Nahrungsnetzes zählen.

Vergleichsweise wenige Algen findet man im Inneren des Meereises. Die inneren Eisstrukturen sind insbesondere im Winter durch sehr niedrige Temperaturen und sehr hohe Salinitäten in den Solekanälen charakterisiert, weil das Solevolumen dann klein und die Salinität sehr hoch ist. Für die Algen sind das ungünstige Lebensbedingungen. Mit der Schmelze im Frühling hingegen nimmt das Solevolumen wieder zu und die Salinität in den Solekanälen ab, da wieder ein Austausch mit dem darunterliegenden Meerwasser stattfindet. Damit findet auch wieder ein Nährstoffaustausch statt, sodass die Algen wieder wachsen können. Ein erhöhter Nährstoffaustausch findet auch an Eisrissen oder -kanten statt, sodass auch hier das Algenwachstum gefördert wird (Arrigo, 2014).

Auch in Schmelztümpeln findet man Algengemeinschaften. Diese Schmelztümpel bilden sich vorwiegend auf dem arktischen Meereis. Sie entstehen durch das Schmelzen des aufliegenden Schnees. Geschmolzener Schnee verringert die Albedo und so entstehen Vertiefungen, in denen sich das Wasser ansammelt. Da die Schmelztümpel nur wenige Nährstoffe enthalten, ist die Algenbiomasse im Allgemeinen allerdings gering. Die durch den Klimawandel bedingten, steigenden Temperaturen lassen im Sommer in der Arktis große Schmelztümpel entstehen, die im Laufe der warmen Monate so tief werden, dass das Schmelzwasser mit dem Meerwasser in Berührung kommt. Damit ist der Nährstoffaustausch mit dem Meerwasser gegeben. Das kann dazu führen, dass die mikrobiologische Biomasse im Schmelztümpel in solchen Fällen am Ende sogar höher ist als in der darunterliegenden Wassersäule. In der Regel ist die mikrobiologische Aktivität in Schmelztümpeln aber geringer als in anderen Meereishabitaten. Dennoch stellen sie eine wichtige Nahrungsquelle für Vielzeller dar (Arrigo, 2014).

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