Die Tiefsee enthält mehr als 90 % des Wassers unserer Ozeane, aber nur etwa ein Drittel aller Fischarten. Wissenschaftler hielten die Erklärung dafür lange für intuitiv – seichtes Meerwasser ist warm und voller Ressourcen, was es zu einem erstklassigen Ort für die Entwicklung und das Gedeihen neuer Arten macht. Aber eine neue Studie der University of Washington, veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences und unter der Leitung von Elizabeth Miller, berichtet, dass es in der gesamten Erdgeschichte mehrere Zeiträume gab, in denen viele Fische tatsächlich die kalten, dunklen, kargen Gewässer der Tiefsee bevorzugten.
„Es ist einfach, flache Lebensräume wie Korallenriffe zu betrachten, die sehr vielfältig und aufregend sind, und anzunehmen, dass sie schon immer so waren“, sagte Miller, der die Studie als Postdoktorand an der UW School of Aquatic and Fishery abgeschlossen hat Naturwissenschaften und ist jetzt Postdoktorand an der University of Oklahoma. „Diese Ergebnisse stellen diese Annahme wirklich in Frage und helfen uns zu verstehen, wie sich Fischarten an große Klimaveränderungen angepasst haben.“
Die Tiefsee wird typischerweise als alles unterhalb von etwa 650 Fuß definiert, der Tiefe, in der nicht mehr genug Sonnenlicht für die Photosynthese vorhanden ist. Das bedeutet, dass es viel weniger Nahrung und Wärme gibt als in den seichten Gewässern, was es zu einem schwierigen Ort zum Leben macht. Aber durch die Analyse der Beziehungen von Fischen anhand ihrer genetischen Aufzeichnungen, die 200 Millionen Jahre zurückreichen, konnte Miller ein überraschendes evolutionäres Muster identifizieren: Die Artbildungsraten – das heißt, wie schnell sich neue Arten entwickelten – drehten sich im Laufe der Zeit um. Es gab Perioden von mehreren zehn Millionen Jahren, in denen sich neue Arten in der Tiefsee schneller entwickelten als in flacheren Gebieten.
In gewisser Weise warf diese Entdeckung mehr Fragen auf, als sie beantwortete. Was führte dazu, dass Fische einen Lebensraum einem anderen vorzogen? Warum konnten sich manche Fische leichter in die Tiefsee bewegen als andere? Und wie haben diese uralten Verschiebungen dazu beigetragen, die Artenvielfalt zu schaffen, die wir heute haben?
Als Miller diese wechselnden Artenbildungsraten auf einer Zeitachse der Erdgeschichte abbildete, war sie in der Lage, drei wichtige Ereignisse zu identifizieren, die wahrscheinlich eine Rolle spielten.
„Der erste war der Zusammenbruch von Pangaea, der vor 200 bis 150 Millionen Jahren stattfand“, sagte Miller. „Dadurch entstanden neue Küsten und neue Ozeane, was bedeutete, dass es mehr Möglichkeiten für Fische gab, sich von seichten in tiefe Gewässer zu bewegen. Es gab plötzlich viel mehr Zugangspunkte.“
Als nächstes kam die heiße Treibhausperiode der Kreidezeit, die vor ungefähr 100 Millionen Jahren stattfand und eine der wärmsten Epochen in der Erdgeschichte markierte. Während dieser Zeit wurden viele Kontinente aufgrund des Anstiegs des Meeresspiegels überschwemmt, wodurch eine große Anzahl neuer, flacher Gebiete auf der ganzen Erde entstand.
„Ungefähr zu dieser Zeit sahen wir wirklich, wie Flachwasserfische abheben und sich diversifizieren“, sagte Miller. „Wir können einen Großteil der Artenvielfalt, die wir heute in den Untiefen sehen, auf diese Zeit zurückführen.“
Das dritte Ereignis war eine weitere große Klimaveränderung vor etwa 15 Millionen Jahren, bekannt als Klimaübergang im mittleren Miozän. Ursache war eine weitere Verschiebung der Kontinente, die große Veränderungen in der Ozeanzirkulation verursachte und den Planeten abkühlte – bis hinunter in die Tiefsee.
„Ungefähr zu dieser Zeit sehen wir, dass sich die Artbildungsraten in der Tiefsee wirklich beschleunigen“, sagte Miller. „Dies wurde besonders durch Kaltwasserfische vorangetrieben. Viele der Arten, die Sie heute vor den Küsten von Washington und Alaska sehen, haben sich in dieser Zeit diversifiziert.“
Aber Klimaveränderungen allein erklären nicht, warum Fische überhaupt die Tiefsee besiedelten. Nicht jede Art hat die richtige Kombination von Eigenschaften, um in tieferem Wasser zu überleben und die relativ begrenzten Ressourcen außerhalb der Reichweite des Sonnenlichts zu nutzen.
„Um sich in der Tiefsee zu einer neuen Art zu entwickeln, muss man zuerst dorthin gelangen“, sagte Miller. „Was wir herausfanden, war, dass nicht nur die Artbildungsraten im Laufe der Zeit umkippten, sondern auch das Aussehen der Tiefseefische.“
Die frühesten Fische, die in die Tiefsee übergehen konnten, hatten tendenziell große Kiefer. Diese gaben ihnen wahrscheinlich mehr Möglichkeiten, Nahrung zu fangen, die in der Tiefe knapp sein kann. Die Forscher fanden heraus, dass Fische mit längeren, sich verjüngenden Schwänzen viel später in der Geschichte am erfolgreichsten beim Übergang ins tiefe Wasser waren. Dies ermöglichte es ihnen, Energie zu sparen, indem sie über den Meeresboden rutschten, anstatt in der Wassersäule zu schwimmen.
„Wenn Sie sich ansehen, wer heute in der Tiefsee lebt, haben einige Arten einen spitz zulaufenden Körper und andere große, unheimliche, zahnige Kiefer“, sagte Miller. „Diese beiden Körperpläne repräsentieren Vorfahren, die im Abstand von Millionen von Jahren die Tiefsee kolonisiert haben.“
Während diese Ereignisse wie alte Geschichte erscheinen mögen, können sie uns möglicherweise darüber aufklären, wie sich der heutige Klimawandel auf das Leben in unseren Ozeanen auswirkt. Miller hofft, dass zukünftige Forschungen auf diesen Erkenntnissen aufbauen und untersuchen können, wie moderne Tiefseefische auf den Klimawandel reagieren und möglicherweise Schutzbemühungen beeinflussen.
„Was wir aus dieser Studie gelernt haben, ist, dass Tiefseefische in der Regel gut abschneiden, wenn die Ozeane kälter sind, aber mit dem Klimawandel werden die Ozeane wärmer“, sagte sie. „Wir können davon ausgehen, dass dies in den kommenden Jahren wirklich Auswirkungen auf die Fische in der Tiefsee haben wird.“
Co-Autoren sind Luke Tornabene an der UW; Christopher Martinez an der UC Irvine; Sarah Friedman vom NOAA Alaska Fisheries Science Center; Peter Wainwright an der UC Davis; und Samantha Price an der Clemson University.
Mehr Informationen:
Elizabeth Christina Miller et al., Abwechselnde Regime der Flach- und Tiefseediversifizierung erklären ein Paradoxon des Artenreichtums bei Meeresfischen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2123544119