Neues Tool sagt geschickt Veränderungen des Meereslebensraums voraus

Wenn die globalen Temperaturen steigen, steigen auch die Meerestemperaturen. Der Ozean absorbiert etwa 90 % der überschüssigen Wärme der Welt, was zu Veränderungen der Meeresumwelt führt, die über die Temperatur hinausgehen und einige Gebiete für einige Meeresarten unbewohnbar machen.

Forscher arbeiten daran, zu verstehen und vorherzusagen, wie sich diese Umweltveränderungen auf die Veränderungen des Meereslebensraums auswirken werden. Ein Team von Wissenschaftlern, darunter die Forscher Zhuomin (Jasmine) Chen und Samantha Siedlecki vom UConn Department of Marine Science, arbeitet zusammen, um die Vorhersagen der Lebensraumverschiebungen für verschiedene Meeresarten zu verbessern. Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht in Naturkommunikation.

Lebensräume verändern sich oder schrumpfen, wenn Meerestiere nach Umgebungen suchen, die für ihr Überleben und für die Befriedigung anderer wesentlicher ökologischer Aktivitäten wie Wachstum, Nahrungsaufnahme und Fortpflanzung geeignet sind. Die Fähigkeit, diese Veränderungen vorherzusehen, ist für die Politikgestaltung, die Forschung und die Unterstützung der Fischereiindustrie bei der Bewältigung des sich verändernden Umfelds von großem Wert.

Chen erklärt, dass das multidisziplinäre Team jährliche bis dekadische Lebensraumverschiebungen für verschiedene Meeresarten in den oberen 600 Metern von 11 nordamerikanischen großen Meeresökosystemen (LMEs) vorhersagte, basierend auf einem wichtigen Stoffwechselindex in Kombination mit einer Reihe dekadischer Vorhersagesysteme.

Der Index wurde zuvor von einer anderen Forschungsgruppe entwickelt und gibt Aufschluss über die Lebensfähigkeit des Lebensraums. und das dekadische Vorhersagesystem wird Community Earth System Model-Decadal Prediction Large Ensemble (CESM-DPLE) genannt, das vom National Center for Atmospheric Research entwickelt wurde.

„Derzeit konzentrieren sich Prognosen zu Lebensräumen mariner Arten in der Regel relativ eng auf die Umweltvariablen, die die Verbreitung von Arten prägen, wobei typischerweise die Temperatur als Haupt- oder einzige Determinante für die ökologischen Nischenvorhersagen verwendet wird. Unsere Arbeit bricht jedoch mit dieser Tradition, indem sie hervorhebt das Potenzial, dass Sauerstoff eine Rolle bei der Ableitung von Veränderungen des Meereslebensraums spielen kann“, sagt Chen.

Höhere Vorhersagbarkeit der Lebensfähigkeit von Meereslebewesen

Hypoxische Zustände entstehen, wenn der Sauerstoffgehalt niedrig ist. Die Forscher konzentrierten sich auf Arten mit zwei wichtigen Stoffwechselmerkmalen – Temperaturempfindlichkeit, Anfälligkeit für Hypoxie und Hypoxietoleranz, die beide im Rahmen des Metabolic Index definiert sind und anhand zuvor veröffentlichter Labor- und Felddaten für eine Vielzahl von Arten bestimmt wurden. Sie konzentrierten sich auf Arten, die in drei verschiedene Gruppen, sogenannte Ökotypen, fielen, abhängig von ihrer Temperaturempfindlichkeit und ihren Stoffwechselbedürfnissen, die sie als niedrig, mittel und hoch bezeichneten.

„Der Stoffwechselindex wurde ursprünglich als Verhältnis der Sauerstoffversorgung in der Umgebung zum Stoffwechselbedarf eines Organismus im Ruhezustand definiert, wobei sowohl die Sauerstoffverfügbarkeit als auch Temperatureffekte berücksichtigt wurden. Damit Meereslebensräume metabolisch lebensfähig sind, muss das Verhältnis größer als ein kritischer Wert von eins sein.“ Ruhestoffwechsel oder größer als ein kritischer Wert für den aktiven Stoffwechsel, der größer als eins ist. Daher konzentrieren wir uns in dieser Studie auf einen normalisierten Stoffwechselindex für einen konsistenten kritischen Wert sowohl des Ruhe- als auch des aktiven Stoffwechsels“, sagt Chen.

Durch die Auswahl repräsentativer Ökotypen mit niedrigen, mittleren und hohen Temperaturempfindlichkeitsmerkmalen und dem gleichen hypoxischen Toleranzmerkmal stellten die Forscher fest, dass diese Merkmale unterschiedlichen lebensfähigen Lebensraumverteilungen im Raum sowie deren jährlichen Verschiebungen in horizontaler und vertikaler Richtung entsprechen und sich integrieren sowohl räumliche Unterschiede als auch zwischenjährliche Variabilitäten der Umweltvariablen wie Sauerstoff und Temperatur.

Laut Chen zeigen die Ergebnisse, dass die zwischenjährlichen Verschiebungen lebensfähiger Lebensräume für mittel- und hochtemperaturempfindliche Arten im Allgemeinen meridional sind, was darauf hindeutet, dass die lebensfähigen Lebensräume der Arten nach Norden schrumpfen, während die südlichen Grenzen als Reaktion auf Erwärmung oder Sauerstoffmangel nach Norden zurückgezogen werden. Während die lebensfähigen Lebensräume von Arten, die auf niedrige Temperaturen empfindlich sind, nicht nur meridionale Kontraktionen in den nördlichen hohen Breiten aufweisen, sondern auch Längsverschiebungen entlang der Südwestküste Nordamerikas.

Die Forscher fanden heraus, dass das CESM-DPLE-System in Kombination mit dem ökophysiologischen Rahmen eine deutlich höhere Vorhersagbarkeit der Habitatlebensfähigkeit für verschiedene Meeresarten in den 11 großen Meeresökosystemen Nordamerikas bietet als einfache Persistenzvorhersagen fast überall und in jedem Leitjahr verbesserte Vorhersagbarkeit vor allem im Untergrund.

Da sich Lebensräume verändern, steigt der Bedarf an genauen Vorhersagen

Chen sagt, dass verschiedene Regionen möglicherweise unterschiedliche Umweltfaktoren haben, die maßgeblich zur Vorhersagbarkeit beitragen. Die Forscher verwendeten eine Methode namens Taylor-Linearzerlegung, um die Variablen genauer zu untersuchen und den Treiber der Vorhersagbarkeit in jedem großen Meeresökosystem herauszufinden. In den meisten Fällen war Sauerstoff der wichtigste Faktor für die Vorhersagbarkeit, insbesondere in den Regionen im Nordostpazifik, jedoch nicht immer.

„Wir haben einige Regionen identifiziert – zum Beispiel den inneren Schelf des östlichen Beringmeeres – mit begrenztem Beitrag zur Vorhersagbarkeit aufgrund der Sauerstoffkomponente, aber die Temperaturkomponente ist für die Vorhersagbarkeit in diesen Regionen relativ dominant“, sagt Chen.

Für die Nordostküste erklärt Chen, dass die Temperaturkomponente ein wichtiger oder sogar entscheidender Faktor für die Vorhersagbarkeit ist, wahrscheinlich aufgrund der Lockerung der Sauerstoffbeschränkung für die Lebensfähigkeit des Lebensraums aufgrund starker Belüftungsprozesse in diesen Regionen hoher Breiten.

Durch die Verwendung des dekadischen Vorhersagesystems in Kombination mit dem ökophysiologischen mechanistischen Rahmen erklärt Chen, dass die Habitatprognoseprodukte vollständig für das Management lebender Meeresressourcen und die Entscheidungsfindung als Reaktion auf sich ändernde Meeresbedingungen eingesetzt werden können.

„Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf den zwischenjährlichen bis dekadischen Zeitrahmen, der ein sehr wichtiger Zeithorizont für die Entscheidungsfindung und das Meeresressourcenmanagement ist, um Auswirkungen zu reduzieren, die Widerstandsfähigkeit zu fördern und den Wert lebender Meeresressourcen angesichts der sich ändernden Meeresbedingungen zu maximieren.“ „

Die Vorhersage der räumlichen Verteilung lebensfähiger Lebensräume wird für Dinge wie Lebensraumverschiebungen immer wichtiger. Beispielsweise sagt Chen, dass Lebensraumverengungen nach Norden das Fischen in bestimmten Häfen unmöglich machen können, während die Lebensraumerweiterung nach Süden Häfen eröffnet, die für die Verarbeitung der Anlandungen vorbereitet werden müssten, was wahrscheinlich Auswirkungen auf die Fischereiindustrie haben wird. Es seien auch erhebliche ökologische Auswirkungen zu berücksichtigen, sagt Chen.

„Ungleiche räumliche und vertikale Lebensraumverschiebungen von Arten aufgrund ihrer unterschiedlichen Stoffwechselmerkmale, beispielsweise unterschiedlicher Temperaturempfindlichkeitsmerkmale, können zu erheblichen Veränderungen in der Beute-Raubtier-Dynamik und der Ökosystemstruktur führen, beispielsweise zur Überlappung lebensfähiger Lebensräume im Süden und Norden.“ Silberseehecht mit Jungfischen als Beute und Erwachsenen als Raubtieren, was sich auf die Ressourcenverfügbarkeit für die Fischerei auswirken kann und eine Anpassung seitens der Beteiligten erfordert“, sagt Chen.