Komplexe Wechselwirkungen als Einflussfaktor auf die Biodiversität von Mikroalgen
Obwohl Phytoplanktonorganismen mikroskopisch klein sind, beträgt ihr Anteil an der globalen Biomasse 1 %, sodass sie eine entscheidende Rolle für das Ökosystem spielen. Was den Erfolg einzelner Arten in ihrer jeweiligen Umgebung ausmacht, ist jedoch größtenteils unerforscht. Ein Schlüsselfaktor ist das ökologische Konzept des sogenannten Trade-offs, einer Austauschbeziehung, die eine gegenläufige Abhängigkeit beschreibt: Unter bestimmten Umweltbedingungen gedeihen einige Arten auf Kosten anderer Arten. Mridul K. Thomas, Forscher bei TROPHY, erklärt hierzu: „Sind die grundlegenden Prinzipien dieser umgekehrten Proportionalität bekannt, lässt sich vorhersagen, welche Arten jetzt und künftig besser gedeihen.“
Mehrere Dimensionen
Allerdings ist die Messung solcher Trade-Offs noch schwierig, da hier viele Faktoren wie Temperatur, Licht, Nährstoffdichte, Prädation, Salzgehalt u. a. hineinspielen. „Eine Methode wäre, diese Faktoren für bestimmte Arten unter streng kontrollierten Bedingungen im Labor zu variieren“, sagt Thomas, der an der Technischen Universität Dänemark forscht. Unterstützt wurde Thomas dabei durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen. Wie er erklärt, sind solche Analysen aber noch sehr kostenintensiv: „Einige wenige Arten haben wir bereits mit zwei Dimensionen untersucht, nötig wären aber tatsächlich mehrere Dimensionen – sechs oder sogar noch mehr.“ Stattdessen verwendete Thomas wissenschaftlich generierte Daten aus Wasserproben des Bodensees an der Grenze zwischen Österreich, Deutschland und der Schweiz, die über einen Zeitraum von 40 Jahren in zweiwöchentlichen Abständen entnommen wurden. „Die langfristigen Veränderungen in der Umwelt decken fast alle Bedingungen ab, die sich im Labor nachstellen lassen“, erklärt er. „Obwohl diese natürlichen Bedingungen viel chaotischer sind, könnten wir anhand der insgesamt möglichen Veränderungen dieser Dimensionen allerdings vorhersagen, wie sich Arten in jeglicher Kombination verhalten.“
Komplexität
Die Auswertung der Daten mit maschinellen Lernverfahren barg für Thomas jedoch eine Überraschung: Genau paarweise Trade-Offs ließen sich nicht feststellen, d. h. eine Art kann sehr gut unter einer bestimmten Bedingung gedeihen, muss dann aber nicht notwendigerweise unter einer anderen schlecht abschneiden. „In der Ökologie gingen wir bislang von mehreren konzeptionell einfachen und eleganten Trade-Offs aus, die dann zu Bausteinen unserer Theorien und Modelle wurden. Eine solch einfache Beziehung hat sich mir allerdings nicht offenbart“, so Thomas. „Um den Erfolg von Arten zu erklären, müssen alle Dimensionen variiert werden können.“ „Von der EU-Förderung konnte ich zu Arbeitstreffen mit Forschungsmitarbeitern reisen und an Konferenzen teilnehmen, was sehr hilfreich war“, sagt Thomas. Weitere Pläne betreffen nun www.lexplore.info (Messungen im Genfer See im Abstand von sechs Stunden), sowohl zu Phytoplanktonorganismen als auch Umweltfaktoren. Da so die Abstände zwischen den Messungen kürzer sind, sind genauere Aussagen zu Trade-Offs und bessere Prognosen möglich.
Künftige Forschungsziele
„So könnten wir Prognosen zu unmittelbaren Veränderungen der Biodiversität im See, aber auch allgemeinere Aussagen darüber treffen, wie groß der Einfluss veränderter Umweltfaktoren (Temperaturanstieg oder landwirtschaftlicher Eintrag) auf das Phytoplankton wäre“, erklärt er. Die Ergebnisse widerlegen zwar nicht das Konzept des Trade-Offs, lassen jedoch Zusammenhänge zwischen Organismen und Umwelt komplexer erscheinen als bisherige Modelle nahe legten. „Es existieren enorm viele Arten von Phytoplankton. Die Zellzahl einiger Arten ist um Größenordnungen höher als die Zahl aller Sterne des Universums“, merkt Thomas an. „Je besser wir den Einfluss von Umweltfaktoren auf sie erforschen, desto besser verstehen wir, wie sich unsere Welt künftig entwickeln wird.“
Schlüsselbegriffe
TROPHY, Phytoplankton, Mikroalgen, Umwelt, Trade-Off, Temperatur, Salzgehalt, Klima, Wandel
