3D-Modelle liefern beispiellose Einblicke in die Reaktion von Korallen auf Bleichereignisse

In einer Studieerschienen am 31. Juli in der Zeitschrift PLUS EINSMeeresbiologen vom Scripps Institution of Oceanography an der UC San Diego und der Arizona State University geben erstmals einen Einblick in die Stressreaktion der Korallenbleiche. Mithilfe von Bildgebungstechnologie konnten sie die Überlebensraten der Korallen nach mehreren Bleichereignissen vor der Insel Maui genau bestimmen.

Anhand einer Zeitreihe von 3D-Modellen von Korallenriffen auf Maui verfolgte ein Forscherteam unter der Leitung des Smith Lab von Scripps Oceanography die Bleichreaktion von 1.832 Korallenkolonien von 2014 bis 2021. Der siebenjährige Datensatz lieferte detaillierte Bilder der Riffe von Jahr zu Jahr, sodass das Team Muster des Korallenwachstums und der Überlebensrate anhand aufeinanderfolgender Bleichereignisse erkennen konnte, die 2015 und 2019 auftraten.

Die Forscher wollten zwischen zwei verschiedenen Prozessen unterscheiden: der natürlichen Selektion, bei der nur die widerstandsfähigsten Korallen einer Population überleben, und der Akklimatisierung, bei der eine einzelne Koralle mit der Zeit hitzetoleranter wird, da sie Hitzestress ausgesetzt ist.

Während einige Korallen während der Studie ausbleichten und starben, zeigten die Korallen, die beide Bleichereignisse überlebten, hoffnungsvolle Anzeichen von Widerstandsfähigkeit. Unter diesen Überlebenden fanden die Forscher kaum Hinweise darauf, dass die Bleiche das Korallenwachstum im Laufe der Zeit beeinträchtigte. Dieser unerwartete Befund könnte Ansätze zum Schutz und zur Wiederherstellung von Korallenriffen liefern.

„Dies ist eine der ersten Studien, die diese Art von Zeitreihen verwendet, um mehrere Korallenbleichereignisse zu untersuchen und zu sehen, wie sich die Prozesse der Akklimatisierung und Selektion dabei auswirken“, sagte der Hauptautor Orion McCarthy, ein Absolvent der Scripps Oceanography, der die Forschung als Doktorand durchgeführt hat.

„Wir haben festgestellt, dass ältere Korallen, die mit größerer Wahrscheinlichkeit mehrere Korallenbleichereignisse überlebt haben, eine gute Quelle für Auspflanzungen zur Korallenrestaurierung sein könnten.“

Da sich die Ozeane aufgrund des Klimawandels erwärmen, sind Korallenriffe durch Korallenbleiche bedroht. Diese anhaltenden Erwärmungsereignisse belasten die Korallen und können letztendlich zu ihrem Tod führen, doch einige Korallen haben es geschafft zu überleben. Forscher auf der ganzen Welt versuchen zu verstehen, was bestimmte Korallen widerstandsfähiger macht als andere, um Projekte zur Korallenwiederherstellung zu unterstützen.

Bei länger anhaltender Erwärmung der Ozeane stoßen gestresste Korallen nützliche Algen aus, die in ihrem Gewebe leben. Dies führt dazu, dass die Korallen weiß werden und „bleichen“.

Die Korallenbleiche führt nicht zum sofortigen Absterben der Korallen, entzieht ihnen jedoch ihre wichtigste Nahrungsquelle. Wenn die Wassertemperaturen zu lange erhöht bleiben, kann die Korallenbleiche zu einem weitverbreiteten Korallensterben führen. Bleichereignisse geringer bis mittlerer Stärke hinterlassen jedoch höchstwahrscheinlich einige überlebende Korallenkolonien. Diese Überlebenden verändern die Zusammensetzung des Riffs und seine Reaktion auf zukünftige Bleichereignisse.

Die beiden in dieser Studie gemessenen Bleichereignisse waren beide von mittlerer Intensität und gingen mit einem anhaltenden Anstieg der Meeresoberflächentemperaturen von über 1 Grad Celsius (1,8 Grad Fahrenheit) über mehrere Monate einher.

Obwohl die Korallen 2015 und 2019 einem ähnlichen Hitzestress ausgesetzt waren, reagierten sie nicht immer auf die gleiche Weise. Einige Korallen bleichten und starben nach dem ersten Ereignis, andere bleichten bei keinem der beiden Ereignisse, andere bleichten beide Male, überlebten aber trotzdem, und manche, die beim ersten Mal bleichten, bleichten beim zweiten Mal nicht. Darüber hinaus befanden sich robuste Überlebende oft direkt neben empfindlicheren Korallen, die abgestorben sind, obwohl beide zur selben Art gehörten und denselben Umweltbedingungen ausgesetzt waren.

Mehrere Korallenarten zeigten Anzeichen einer Akklimatisierung an die Korallenbleiche, insbesondere Porites lobata. Den Populationen der Pocillopora-Korallen erging es am schlechtesten, sie wiesen die geringste Überlebensrate auf.

„Aufgrund unserer Beobachtungen empfehlen wir, dass sich Restaurierungspraktiker auf Hawaii auf Kolonien von Porites und Montipora konzentrieren sollten, die nachweislich wachsen und überleben“, sagte McCarthy, der jetzt als wissenschaftlicher Leiter für Nachhaltiges Surfeneine gemeinnützige Organisation, die Restaurierungsprojekte mit Schwerpunkt auf Korallenriffen und anderen Meeresökosystemen unterstützt.

Die Forscher führten die innovative 3D-Technologie darauf zurück, dass sie Anzeichen von Akklimatisierung und Selektion erkennen konnten, die mit herkömmlichen Untersuchungen im Wasser nur schwer zu verfolgen und zu quantifizieren gewesen wären. Die Zeitreihe wurde 2014 von der Meeresbiologin Jennifer Smith von Scripps Oceanography, einer Co-Autorin der Studie, und ihrer ehemaligen Doktorandin Emily Kelly, die jetzt beim Weltwirtschaftsforum arbeitet, ins Leben gerufen.

Im letzten Jahrzehnt haben Smith und andere Mitglieder ihres Labors, darunter McCarthy, Großflächenabbildungen bzw. Photogrammetrie eingesetzt, um 3D-Schnappschüsse von Korallenriffen an festen Standorten vor Maui aufzunehmen.

Die Tauchwissenschaftler verwenden spezielle Unterwasserkameras, um Tausende sich überlappende Bilder des Riffs aufzunehmen. Dieser Vorgang wird Jahr für Jahr wiederholt. Im Labor werden diese Bilder mit einer hochentwickelten Software verarbeitet, die Tausende von 2D-Bildern nahtlos zu einem detaillierten 3D-Modell der Unterwasserlandschaft zusammenfügt.

Ihre Arbeit auf Maui ist Teil einer größeren Initiative zur Überwachung von Korallenriffen namens 100-Inseln-Herausforderungdessen Ziel es ist, globale Muster der Veränderung von Korallenriffen im Laufe der Zeit anhand großflächiger Bilder zu beschreiben.

„Dieser Ansatz hat unsere Fähigkeit revolutioniert, langfristige Veränderungen in Korallenriffgemeinschaften auf sehr feiner Ebene zu untersuchen“, sagte Smith, Professor für Meeresbiologie am Scripps Oceanography.

„Wir können diese Systeme buchstäblich in 3D verändern; wir können Korallen wachsen und schrumpfen sehen und visualisieren, wie sie auf globale Stressfaktoren reagieren. Die Erkenntnisse, die wir mit diesem Ansatz gewinnen, können wir für Bildung und Öffentlichkeitsarbeit nutzen und unsere Ergebnisse können dazu beitragen, Management- und Naturschutzmaßnahmen zu informieren.“

McCarthy verglich die Nachverfolgung des Schicksals von Korallen während mehrerer Bleichereignisse mit der Untersuchung der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit nach zahlreichen pandemieartigen Ereignissen. Indem Forscher die Reaktionen einzelner Personen während eines einzelnen Ereignisses – beispielsweise der COVID-19-Pandemie – verfolgen, können sie Rückschlüsse darauf ziehen, ob bestimmte Merkmale oder Eigenschaften mit besseren oder schlechteren gesundheitlichen Folgen einhergehen.

Wenn es kurze Zeit später zu einer zweiten Pandemie kommt, können Forscher diese Daten analysieren, um besser zu verstehen, wer das erste Ereignis überlebt hat und wie es diesen Überlebenden beim zweiten Ereignis ergangen ist. Dieselbe Logik gilt auch für Korallen und Korallenbleiche.

Die Autoren wiesen darauf hin, dass Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels – der Hauptursache für die Erwärmung der Ozeane – von entscheidender Bedeutung sind, um den Korallenriffen zu einem besseren Überleben zu verhelfen. Schwere Korallenbleichereignisse können zu einem weitverbreiteten Korallensterben führen, was die Dringlichkeit unterstreicht, solche schlimmen Folgen durch globale Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels zu verhindern.

„Korallenriffe sind dynamisch und die Korallenbleiche wird nicht zwangsläufig alle Korallen töten – zumindest nicht kurzfristig. Es gibt also noch Grund zur Hoffnung für diese Riffe und die Notwendigkeit ihres aktiven Schutzes“, sagte McCarthy.

„Werkzeuge wie die 3D-Modellierung ermöglichen uns ein genaueres Verständnis davon, welche Korallen leben und welche nicht. Diese Informationen können wir nutzen, um die Bemühungen zur Wiederherstellung der Korallenriffe zu steuern.“

Neben McCarthy und Smith war auch der Doktorand Morgan Winston von der University of Arizona Mitautor der Studie.