Das Erbe der alten Eiszeiten prägt, wie Seegräser heute auf Umweltbedrohungen reagieren

Die tiefe Evolution wirft einen längeren Schatten als bisher angenommen, berichten Wissenschaftler in einem neuen Artikel, der in der Woche vom 1. August in der veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences. Wissenschaftler und Kollegen von Smithsonian untersuchten Seegrasgemeinschaften – die Grundlage vieler küstennaher mariner Nahrungsnetze entlang der Nordatlantik- und Pazifikküste – und entdeckten, dass ihre alte genetische Geschichte eine stärkere Rolle als die heutige Umwelt bei der Bestimmung ihrer Größe, Struktur und Wer spielen kann lebt in ihnen. Und dies könnte Auswirkungen darauf haben, wie gut sich Seegräser an Bedrohungen wie den Klimawandel anpassen.

Vor etwa einer halben Million Jahren, als die Welt wärmer war, machten einige Seegraspflanzen die beschwerliche Reise von ihrer Heimat im Pazifik zum Atlantik. Nicht alle Pflanzen waren robust genug, um die Reise durch die Arktis zu überstehen. Für diejenigen, die erfolgreich waren, wirkte sich eine Reihe von Eiszeiten während des Pleistozäns weiter darauf aus, wie weit sie sich ausbreiten konnten. Diese jahrtausendealten Kämpfe hinterließen bleibende Spuren in ihrer DNA: Noch heute sind die Seegraspopulationen im Atlantik genetisch weitaus weniger vielfältig als die im Pazifik.

Dennoch waren die Wissenschaftler in der klassischen Debatte „Natur versus Pflege“ fassungslos, als sie entdeckten, dass das genetische Erbe moderne Seegrasgemeinschaften manchmal mehr prägt als die aktuelle Umwelt.

„Wir wussten bereits, dass es eine große genetische Trennung zwischen den Ozeanen gibt, aber ich glaube, keiner von uns hat jemals davon geträumt, dass dies wichtiger wäre als die Umweltbedingungen“, sagte Emmett Duffy, Meeresbiologe am Smithsonian Environmental Research Center und Leiter Autor des Berichts. „Das war eine große Überraschung für alle.“

Seegras in heißem Wasser

Seegras gehört zu den am weitesten verbreiteten Flachwasserpflanzen der Welt. Sein Verbreitungsgebiet reicht von halbtropischen Regionen wie Baja California bis nach Alaska und in die Arktis. Seegras bietet nicht nur Nahrung und Lebensraum für viele Unterwassertiere, sondern bietet auch eine Fülle von Diensten für den Menschen. Es schützt Küsten vor Stürmen, nimmt Kohlenstoff auf und kann sogar schädliche Bakterien im Wasser reduzieren.

Aber an den meisten Orten, an denen es wächst, ist Seegras die vorherrschende – oder einzige – vorhandene Seegrasart. Das macht sein Überleben für die Menschen und Tiere, die dort leben, von entscheidender Bedeutung. Und die geringere genetische Vielfalt im Atlantik könnte es einigen Populationen erschweren, sich an plötzliche Veränderungen anzupassen.

„Vielfalt ist, als hätte man verschiedene Werkzeuge in seinem Werkzeuggürtel“, sagte Jay Stachowicz, Co-Autor und Ökologe an der University of California, Davis. „Und wenn Sie nur einen Hammer haben, können Sie Nägel einschlagen, aber das war es auch schon. Aber wenn Sie eine vollständige Palette von Werkzeugen haben, können Sie mit jedem Werkzeug verschiedene Aufgaben effizienter erledigen.“

Ökologen haben bereits beobachtet, dass Seegras aus einigen Regionen verschwindet, wenn sich das Wasser erwärmt. In Portugal, seinem südlichsten Punkt in Europa, hat das Seegras damit begonnen, sich zurückzuziehen und weiter nach Norden in kühlere Gewässer zu ziehen.

„Ich glaube nicht, dass wir verlieren werden [eelgrass] im Sinne einer Auslöschung“, sagt Co-Autorin Jeanine Olsen, emeritierte Professorin an der Universität Groningen in den Niederlanden. „So wird es nicht sein. Es hat viele Tricks im Ärmel.“ Aber lokale Artensterben, betonte sie, werden an einigen Orten auftreten. Das könnte Regionen, die von ihrem lokalen Seegras abhängen, in Schwierigkeiten bringen.

Erreichen einer mehr ZEN-Weltanschauung

Duffy und seine Kollegen erkannten die dringende Notwendigkeit, Seegras weltweit zu verstehen und zu erhalten, und schlossen sich zusammen, um ein globales Netzwerk namens ZEN zu gründen. Der Name steht für Zostera Experimental Network, eine Anspielung auf den wissenschaftlichen Namen des Seegrases, Zostera marina. Die Idee war, Seegraswissenschaftler auf der ganzen Welt zusammenzubringen, die dieselben Experimente und Untersuchungen durchführen, um ein koordiniertes globales Bild der Seegrasgesundheit zu erhalten.

Für die neue Studie untersuchte das Team Seegrasgemeinschaften an 50 Standorten im Atlantik und Pazifik. Mit 20 beprobten Parzellen pro Standort erhielt das Team Daten von 1.000 Seegrasparzellen.

Zuerst sammelten sie grundlegende Seegrasdaten: Größe, Form, Gesamtbiomasse und die verschiedenen Tiere und Algen, die darauf und um sie herum leben. Dann sammelten sie genetische Daten zu allen Seegraspopulationen. Außerdem maßen sie an jedem Standort mehrere Umgebungsvariablen: Temperatur, Salzgehalt des Wassers und Nährstoffverfügbarkeit, um nur einige zu nennen.

Letztendlich hofften sie herauszufinden, was Seegrasgemeinschaften mehr geprägt hat: die Umwelt oder die Genetik?

Nachdem sie eine Reihe von Modellen durchgeführt hatten, entdeckten sie eine Vielzahl von Unterschieden zwischen den atlantischen und pazifischen Seegrasökosystemen – Unterschiede, die eng mit der genetischen Divergenz von der pleistozänen Migration und den nachfolgenden Eiszeiten übereinstimmten.

Während pazifische Seegräser oft in „Wäldern“ wuchsen, die regelmäßig über 3 Fuß hoch und manchmal mehr als doppelt so hoch wurden, beherbergte der Atlantik kleinere „Wiesen“, die selten diese Höhe erreichten. Die genetischen Unterschiede stimmten auch mit der Gesamtbiomasse des Seegrases überein. Im Atlantik spielten die Evolutionsgenetik und die heutige Umwelt eine gleich starke Rolle bei der Seegrasbiomasse. Im Pazifik hatte die Genetik die Oberhand.

Diese Auswirkungen flossen auch in andere Teile des Ökosystems. Bei kleinen Tieren, die im Seegras lebten, wie Wirbellosen, spielte die genetische Signatur aus dem Pleistozän wiederum eine stärkere Rolle als die Umwelt im Pazifik – während beide im Atlantik eine ebenso starke Rolle spielten.

„Das uralte Erbe dieser pleistozänen Migration und des Engpasses von Seegras in den Atlantik hatte 10.000 Jahre später Konsequenzen für die Struktur des Ökosystems“, sagte Duffy. „Wahrscheinlich mehr als 10.000.“

Die Zukunft bewahren

Dass uralte Genetik eine so starke Rolle spielen kann – manchmal stärker als die Umwelt –, hat einige Ökologen besorgt darüber, ob sich Seegras an schnellere Veränderungen anpassen kann.

„Die Klimaerwärmung an sich ist wahrscheinlich nicht die Hauptbedrohung für Seegras“, sagte Olsen. Auch die Verschmutzung durch Städte und Farmen, die das Wasser trüben und zu schädlichen Algenblüten führen können, gefährdet die Seegräser. Allerdings zeugt die Vielzahl von Umgebungen, in denen Seegras überleben kann, von seiner Widerstandsfähigkeit.

„Ich bin hoffnungsvoll, weil unsere Ergebnisse die langfristige Widerstandsfähigkeit gegenüber wiederholten, großen Änderungen der thermischen Toleranzen und der großen Bandbreite von Seegras-Lebensräumen auf etwa der Hälfte der nördlichen Hemisphäre veranschaulichen“, sagte Olsen. „Mit den jetzt verfügbaren genomischen Ressourcen für Seegras beginnen wir damit, funktionelle Veränderungen in Genen und deren Regulation in Echtzeit zu analysieren. Das ist sehr spannend.“

Um bestehende Seegraswiesen zu schützen, ist die Erhaltung der aktuellen Vielfalt ein guter erster Schritt. An Orten, an denen Seegraswiesen bereits verloren gegangen sind, bietet eine Wiederherstellung einige Aussichten. Einige Erfolgsgeschichten gibt es bereits, wie zum Beispiel an der Ostküste von Virginia. Viele Restaurierungsbemühungen erzielen jedoch nur begrenzten Erfolg. Wie Stachowicz betonte, wirft dies zusätzliche Fragen auf.

„Sollten Sie Seegras mit Pflanzen aus lokalen Umgebungen wiederherstellen oder sollten Sie an die Zukunft denken und Pflanzen mit einer Genetik ausprobieren, die besser für zukünftige Umweltbedingungen geeignet ist?“ er hat gefragt. „Oder sollten Sie Ihre Wetten absichern?“ Die Aufrechterhaltung oder Verbesserung der genetischen Vielfalt könnte der beste Weg sein, Seegraspopulationen mit dem vielfältigen Instrumentarium auszustatten, das sie zum Überleben in einer ungewissen Zukunft benötigen.