4000 Meter unter dem Eis

Die Arktis ist einer der Lebensräumen, die sich im Zuge des Klimawandels am stärksten verändern werden. Welche Auswirkungen das auf die Biodiversität im Nördlichen Polarmeer hat, kann niemand abschätzen. Antje Boetius vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen und vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven ist mit einem internationalen Team, darunter Wissenschaftlerinnen aus Russland, in die Nähe des Nordpols gereist und hat die Konsequenzen des Eisrückgangs und die Artenvielfalt in der arktischen Tiefsee dokumentiert.

Text: Maren Emmerich

Eisiger Ankerplatz: Sobald das Forschungsschiff Polarstern am Rand des arktischen Eispanzers festgemacht hat, schwärmen die Wissenschaftler an Bord aus, um die Lebensgemeinschaften  zu bestimmen.

Es ist drei Uhr nachts, und an Bord des Forschungsschiffes Polarstern weht ein eisiger Wind. Ende September herrscht rund um den Nordpol nach Wochen der Mitternachtssonne um diese Uhrzeit bereits tiefe Dunkelheit. Es gibt sicher Angenehmeres, als unter diesen Bedingungen an Deck eines Schiffes eine Ladung Schlamm auszuwaschen.

Doch Antonina Rogacheva, Elena Rybakova und Renate Degen werden nicht müde, die neun Kilogramm an Meeressediment, die das Bodenschleppnetz soeben aus 4100 Metern Tiefe an Bord der Polarstern gebracht hat, durch feine Siebe zu waschen. Sie wollen der wertvollen Probe aus der Tiefsee selbst kleinste Lebewesen entlocken. Anschließend heißt es Deck putzen, denn die übrigen Wissenschaftler auf dem Schiff schätzen keinen Schlamm in ihren Untersuchungsobjekten, und die Matrosen bestehen ebenfalls auf einem sauberen Arbeitsplatz.

Trotz der Anstrengungen, die mit der Ausfahrt verbunden sind, bietet die zweimonatige Expedition mit der Polarstern den drei jungen Tiefseebiologinnen die einmalige Chance, am „Arctic Ocean Diversity Project“ weiterzuarbeiten. Die Forscher wollen die Artenzusammensetzung in der arktischen Tiefsee entschlüsseln und herausfinden, woher die Tiere Energie zum Leben erhalten.

Auch für Fahrtleiterin Antje Boetius ist die Zeit auf dem größten deutschen Forschungsschiff eine willkommene Abwechslung zum üblichen Arbeitsalltag zwischen Hörsaal und Büro. Die Professorin für Geomikrobiologie an der Universität Bremen leitet die Brückengruppe Tiefseeökologie und -technologie, eine Kollaboration des  Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen und des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven. Sie beschreibt den Reiz des Projektes so: „Die arktische Tiefsee ist ein Lebensraum, den vor uns noch niemand auf diese Weise untersucht hat. Wir sind mit dem Forschungsschiff während des größten Eisrückgangs seit Beginn der Satellitenaufzeichnungen vor Ort und wollen die Konsequenzen untersuchen. Das motiviert das ganze Team.“

Die 54 Forscher stammen aus den verschiedensten Ländern und verfolgen ganz unterschiedliche Projekte. Es ist die Aufgabe von Antje Boetius, alle Interessen unter einen Hut zu bekommen. Zu diesem Zweck findet jeden Tag eine zentrale Besprechung statt - auf Englisch, der Fachsprache an Bord.

Die Expedition möchte unter anderem eine Bestandaufnahme des Lebens in der Tiefsee des nördlichen Polarmeeres vornehmen. „Aktuellen Prognosen zufolge wird in 20 Jahren das gesamte Eis in dieser Region geschmolzen sein“, sagt Antje Boetius. Welche Auswirkungen dies für die Artenvielfalt bis hinab in die Tiefsee haben wird, kann heute noch niemand abschätzen.

Die Wissenschaftler untersuchen aber auch die sogenannten Eisalgen. Diese sind perfekt an die feste, aber kalte Umgebung aus Meereis angepasst, in der sie wachsen. Im Meerwasser sind wiederum andere Arten zu finden. Nur in den wenigen Sommermonaten steht genug Sonnenlicht als Energiequelle zur Verfügung, um Fotosynthese zu betreiben. Auf diesen Nahrungsschub verlassen sich unter anderen verschiedene Krebse, die viel Energie speichern müssen um Eier zu legen. Daher wäre es fatal, wenn die Algenblüte auf einmal wesentlich früher stattfände oder ganz ausbliebe. Dann hätten auch die Tiefseebewohner nichts mehr zu fressen, denn sie warten auf das Absinken der abgestorbenen Algenblüten als wesentliche Nahrungsquelle.

Um den Zusammenhang zwischen Algen, Eis und Tiefseeleben zu untersuchen, setzen die Forscher eine neue Methode für die Beobachtung der marinen Fauna ein: Der Eisbrecher Polarstern öffnet zunächst eine Rinne im Eis, und dreht dann einen Kreis. Am Beginn der Eisrinne lassen die Forscher ihr Bodenschleppnetz hinab auf den Meeresgrund in über 4000 Meter Tiefe, um die dort lebenden Organismen einzusammeln und an Bord zu holen.

Die Idee, eine Art Fischernetz zu Forschungszwecken einzusetzen, stammt ursprünglich von dem amerikanischen Tiefseeforscher Alexander Agassiz. Über seine ersten Funde mit dem sogenannten Agassiz-Trawl berichtete der Wissenschaftler bereits im Jahr 1888; seitdem hat sich die Methode immer wieder aufs Neue bewährt – doch im Eis der Arktis bleibt es eine Herausforderung, gute Proben zu erhalten. Darüber hinaus stellen die Wissenschaftler auch Messstationen mit Mikrosensoren auf dem Meeresboden der Arktis ab, mit denen sie die bakterielle Atmung aufzeichnen können.

In Ergänzung dazu setzt die Gruppe um Antje Boetius auf modernste Optik. Ihre Arbeitsgruppe am Alfred-Wegener-Institut besitzt ein extrem leistungsfähiges Gerät, das „Ocean Floor Observation System“, kurz OFOS. Es besteht aus einem massiven Rahmen aus Edelstahl, sowie einem Druckzylinder, der ein sensibles Innenleben schützt. Hierzu gehören eine hochauflösende, digitale Spiegelreflexkamera, Hochleistungsblitze, Orientierungslaser und Transponder, die den Wissenschaftlern kontinuierlich die Position der Kamera vermelden. Bis in über 5000 Meter Tiefe lässt das Gerät die Tiefseeforscher blicken.

„Das OFOS ist vor der Fahrt neu aufgerüstet worden und macht nun fantastische Bilder von den Tiefseetieren in ihrem Lebensraum“, schwärmt Antje Boetius. „Wir werden oft gefragt, warum wir immer noch das antike Agassiz-Trawl einsetzen und nicht einfach nur mit den modernen bildgebenden Methoden die Tiefseetiere am Meeresboden bestimmen. Doch auch wenn die Bilder sehr wertvoll sind, um beispielsweise große Tiere zu bestimmen, so reicht ein Foto alleine nicht, um die vielen Arten zu unterscheiden.“ Dazu sehen sich einige Organismen einfach zu ähnlich.

Daher nehmen die Wissenschaftlerinnen des Shirshov Institutes, des Alfred-Wegener- und des Max-Planck-Instituts auch viele Proben von Organismen und deren DNA mit. In ihren Laboren bedienen sie sich einer Kombination aus klassischen und modernen Verfahren, nämlich der taxonomischen Bestimmung auf der Basis morphologischer Merkmale. Dabei ordnen sie die Fundstücke mit Hilfe eines Bestimmungsschlüssels den richtigen Klassen, Ordnungen, Familien und Gattungen zu. Die Ergebnisse werden auf molekularer Ebene beispielsweise durch eine Ähnlichkeitsanalyse der DNA verglichen. Am Ende soll jede Art durch einen genetischen Barcode eindeutig charakterisiert sein.

Die russischen Mitglieder des Teams besitzen auf diesem Gebiet die meiste Erfahrung, gerade was die arktischen Arten angeht. „In Russland beteiligen sich Zoologen seit über hundert Jahren an Eisexpeditionen und Eiscamps, um die Fauna des Arktischen Ozeans zu kartieren“, erzählt Antje Boetius. „Die Frage ‘Wer lebt wo?‘ hat dort noch einen hohen wissenschaftlichen Stellenwert. Bei uns in Deutschland gibt es kaum noch Taxonomen an den Universitäten, und da sie ihr Wissen nicht an die jungen Biologiestudenten weitergeben, geht es nach und nach verloren“, beklagt die Meeresforscherin. Doch wenn es darum geht, neue Arten zu identifizieren und ihre Rolle im Ökosystem zu verstehen, müssen Beobachtungen im Lebensraum, molekulare Schlüssel und taxonomische Expertise kombiniert werden. „Am weitesten kommen wir natürlich, wenn wir die alten mit den neuen Methoden integrieren. Dann können wir beispielsweise äußerlich ähnliche Individuen als Angehörige unterschiedlicher Arten entlarven, die eventuell zu verschiedenen Zeiten auftreten oder andere Nahrungsquellen nutzen“, erklärt Boetius.  

2012 führte die Reise der Polarstern von Tromsø in Norwegen 12.000 Kilometer durch arktische Gewässer und schließlich zurück Bremerhaven. Die weißen und grauen Gebiete sind von Meereis bedeckt, die im September 2012 nur 3,41 Millionen Quadratkilometer ausmachen – die kleinste Fläche seit Beginn der Aufzeichnungen 1973. Die gelbe Linie umrandet das Eisminimum im Jahr 2007.

Seit kurzem liegen erste Ergebnisse zur Energiequelle für das Leben in der eisbedeckten Tiefsee vor – das Manuskript für die Veröffentlichung im Fachmagazin Science schrieben Antje Boetius und ihre Kollegen direkt an Bord. Sie konnten beobachten, wie große Mengen von Eisalgen in der produktiven Sommersaison aus dem Eis ausschmolzen und auf den Tiefseeboden sanken – nahe dem Nordpol war der Meeresboden fast grün von Algenklumpen. Noch wissen die Forscher nicht, ob sie damit ein einmaliges Phänomen beobachtet, oder erste Zeichen einer neuen, von dünnem Meereis geprägten und damit produktiveren Arktis dokumentiert haben.

Doch auch Monate nach Abschluss der Polarstern-Expedition stecken die Wissenschaftler noch mitten in der Auswertung. „Wir können aber zumindest schon einmal die Tiergruppen benennen, die in der Tiefsee des arktischen Ozeans die meiste Biomasse auf die Waage bringen“, sagt Antje Boetius. „Hierzu zählen Stachelhäuter wie Seegurken und Haarsterne, aber auch Schwämme, Flohkrebse und Asselspinnen.“ Tiefseefische dagegen sind in den Becken der Zentralen Arktis sehr selten.

Wie viele Arten die arktische Tiefsee insgesamt beherbergt, und welche davon endemisch sind, also nirgendwo sonst vorkommen - diese Fragen wagt bis heute niemand zu beantworten. „Selbst wenn wir beispielsweise von einem Seestern aus der arktischen Tiefsee bisher keine verwandte Art kennen, können wir nicht ausschließen, dass es sie gibt – vielleicht haben wir diese einfach nur noch nicht entdeckt – es ist ja noch nicht mal ein Prozent des Tiefseebodens erforscht.“

Die Biodiversität des nördlichen Polarmeeres kann also nicht lückenlos erfasst werden, dazu ist die arktische Tiefsee zu groß. Die Wissenschaftler wollen aber zumindest die aktuelle biologische Vielfalt in diesem Lebensraum in ihren Grundzügen beschreiben. Künftige Untersuchungen können daran anknüpfen und Veränderungen feststellen.

Eine solche Bestandsaufnahme der marinen Vielfalt führen Wissenschaftler übrigens nicht nur in der Arktis durch. Das „Arctic Ocean Diversity Project“ startete im Jahr 2000 als eine von insgesamt 18 Teilstudien des „Census of Marine Life Project“. Das Mutterprojekt war ursprünglich auf zehn Jahre angelegt und wurde von einer privaten Stiftung und verschiedenen nationalen Fördermitteln finanziert. Zwischen 2000 und 2010 beschäftigten sich rund 2700 Wissenschaftler aus 80 Ländern mit der Volkszählung in den Meeren. Ihre Beobachtungen, welche Arten wo vorkommen, sammelten die Forscher in biogeografischen Datenbanken.

Einige der Beteiligten nahmen die ersten Ergebnisse als Ansporn, nach Ablauf der offiziellen Laufzeit auf eigene Faust weiter zu zählen. Hierzu gehören auch die Wissenschaftler um Andrey Gebruk vom P.P. Shirshow Institute of Oceanology in Moskau, der beiden Bremer Institute, der University of Fairbanks in Alaska sowie der Universität Tromsø in Norwegen, die im losen Verbund und mit eigenen Mitteln das „Arctic Ocean Diversity Project“ weiterführen.

Vom internationalen Charakter der Kooperation profitieren alle Beteiligten. „Insbesondere mit den russischen Biologen gibt es eine hervorragende Zusammenarbeit“, erzählt Antje Boetius. „Wir hatten tolle Kollegen und Kolleginnen an Bord und freuen uns auf die gemeinsame Auswertung der Proben. Noch arbeiten viel zu wenige an den drängenden Fragen der Zukunft der Arktis, einschließlich der Lebensvielfalt, und wir brauchen dringend die Expertise der Zoologen aus Moskau, Sankt Petersburg und anderen Instituten.“

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