Haben Sie sich jemals über die optimale Temperatur für das Leben auf der Erde Gedanken gemacht? Für den Menschen sind 20°C angenehm. Irgendein wärmer und wir weniger effizient arbeiten denn die Freisetzung von Wärme erfordert Energie.
Wir wissen, dass viele Arten bei viel kälteren oder wärmeren Temperaturen leben können als Menschen. Aber unser systematische Überprüfung der veröffentlichten Forschungsergebnisse ergaben, dass sich die thermischen Bereiche von Tieren, Pflanzen und Mikroben, die in Luft und Wasser leben, bei 20 °C überschneiden. Könnte das ein Zufall sein?
Für alle Arten ist der Zusammenhang mit der Temperatur eine asymmetrische glockenförmige Kurve. Damit sind biologische Prozesse gemeint Anstieg entsprechend der Temperaturerreichen ein Maximum und nehmen dann schnell ab, wenn es zu heiß wird.
Kürzlich bemerkte eine neuseeländische Forschungsgruppe die Zahl der Meeresarten erreichte am Äquator keinen Höhepunkt, wie allgemein angenommen wird. Vielmehr ging die Zahl zurück, mit Spitzenwerten in den Subtropen.
Nachverfolgen Studien zeigten, dass diese Senke seit der letzten Eiszeit vor etwa 20.000 Jahren tiefer geworden ist. Und aufgrund der globalen Meereserwärmung hat es sich schneller vertieft.
Bei der Auftragung der Artenzahl gegen die durchschnittliche Jahrestemperatur ergab sich ein Rückgang über 20 °C. Ein zweiter Zufall?
Biologische Prozesse und Artenvielfalt
Forschung in Tasmanien modellierte die Wachstumsraten von Mikroben und vielzelligen Organismen und fanden heraus, dass die stabilste Temperatur für ihre biologischen Prozesse ebenfalls 20 °C betrug.
Dieses „Corkrey-Modell“ baute auf andere Studien 20 °C waren die stabilste Temperatur für biologische Moleküle. Ein dritter Zufall?
Wir haben uns mit Kollegen aus Kanada, Schottland, Deutschland, Hongkong und Taiwan zusammengetan, um nach allgemeinen Mustern zu suchen, wie sich die Temperatur auf das Leben auswirkt. Zu unserer Überraschung fanden wir überall, wo wir hinsahen, immer wieder heraus, dass 20 °C tatsächlich eine entscheidende Temperatur für viele Arten der Artenvielfalt sind, und zwar nicht nur für Meeresarten.
Beispiele zeigen, dass Temperaturen über etwa 20 °C zu einem Rückgang verschiedener wichtiger Maßnahmen führen:
Bei Temperaturen über 20 °C kam es im Fossilienbestand auch zu vermehrten Artensterben.
Erhöhter Artenreichtum
Weltweit ist der Temperaturbereich, in dem Rifffische und Wirbellose leben, bei den Arten am engsten, deren geografische Verbreitung sich auf 20 °C konzentriert. Der gleiche Effekt wird bei Mikroben beobachtet.
Während sich viele Arten so entwickelt haben, dass sie bei wärmeren und kälteren Temperaturen leben, leben die meisten Arten bei 20 °C. Auch Aussterben im Fossilienbestand – darunter Schwämme, Lampenschalen, Weichtiere, Meeresmatten (Bryozoen), Seesterne und Seeigel, Würmer und Krebstiere – waren bei 20 °C niedriger.
Je weiter sich Arten entwickeln, um bei Temperaturen über und unter 20 °C zu leben, desto größer wird ihre thermische Nische. Das bedeutet, dass die meisten noch bei 20 °C leben können, selbst wenn sie an heißeren oder kälteren Orten leben.
Das mathematische Corkrey-Modell sagt voraus, dass die thermische Breite bei 20 °C minimiert werden sollte und biologische Prozesse am stabilsten und effizientesten sind. Dies wiederum sollte den Artenreichtum in allen Lebensbereichen maximieren, von Bakterien bis hin zu mehrzelligen Pflanzen und Tieren. Das Modell liefert somit eine theoretische Erklärung für diesen „20°C-Effekt“.
Vorhersage der Auswirkungen des Klimawandels
Dass sich das Leben bei etwa 20 °C zu konzentrieren scheint, impliziert grundlegende Einschränkungen, die die Fähigkeit tropischer Arten beeinträchtigen, sich an höhere Temperaturen anzupassen.
Solange Arten ihre Verbreitungsgebiete ändern können, um sich an die globale Erwärmung anzupassen, bedeutet der 20°C-Effekt, dass es lokal zu einer Zunahme des Artenreichtums bis zu einem Jahresdurchschnitt von 20°C kommt. Darüber hinaus wird der Reichtum abnehmen.
Dies bedeutet, dass es unwahrscheinlich ist, dass die vielen Meeresarten, die sich durch eine Verschiebung ihrer geografischen Verbreitung an die globale Erwärmung anpassen können, aufgrund des Klimawandels aussterben.
Aufgrund der durch Städte, Landwirtschaft und andere menschliche Infrastrukturen veränderten Landschaften können Landarten ihre geografische Verbreitung jedoch möglicherweise nicht so leicht ändern.
Der 20°C-Effekt ist die einfachste Erklärung für die oben genannten Phänomene, darunter: Trends im Artenreichtum und der genetischen Vielfalt in Abhängigkeit von der Temperatur; Aussterberaten im Fossilienbestand; biologische Produktivität; optimale Wachstumsrate; und Meeresprädationsraten.
Trotz der Komplexität mehrzelliger Arten ist es bemerkenswert, dass sich die Temperatureffizienz auf Zellebene in diesen anderen Aspekten der Biodiversität widerspiegelt.
Warum genau 20 °C für zelluläre Prozesse von entscheidender Bedeutung und energieeffizient sind, liegt möglicherweise an den molekularen Eigenschaften des mit Zellen verbundenen Wassers. Diese Eigenschaften könnten auch der Grund dafür sein, dass ~42°C für die meisten Arten als absolute Grenze zu gelten scheint.
Ein größeres Bewusstsein für diesen 20°C-Effekt könnte zu neuen Erkenntnissen darüber führen, wie die Temperatur Ökosystemprozesse, Artenreichtum und -verteilung sowie die Entwicklung des Lebens steuert.
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