Regenwälder der Meere

Korallenbleiche

Korallen leben in Symbiose mit pflanzlichen Einzellern, Zooxanthellen genannt. Diese Algen sitzen im zellulären Gewebe der Korallen, sind grün-bräunlich gefärbt und verleihen den Baumeistern der Riffe einen Großteil ihrer Farbe. Sie betreiben Photosynthese und versorgen die Korallen mit Zucker. Dafür erhalten die Algen diverse Nährstoffe. Dieser Prozess wird empfindlich gestört, wenn die Wassertemperatur steigt. Sobald es den Korallen zu warm ist, setzen sie die Algen, die dann auch giftige Stoffe zu produzieren beginnen, quasi vor die Tür. Die Korallen bleichen aus und sterben nach einiger Zeit ab, denn ohne Zooxanthellen erhalten sie keinen Zucker. Unterernährt und geschwächt werden sie zudem leicht von Krankheitserregern befallen.

Über kurze Zeiträume ist die Korallenbleiche ein natürliches und umkehrbares Phänomen: Lässt der Umweltstress etwa aufgrund sinkender Wassertemperaturen wieder nach, schleusen die Korallen erneut Zooxanthellen aus dem umgebenden Wasser in ihr Gewebe ein – und sie erholen sich. Doch während es früher in einem Riff etwa alle 20 Jahre zu einer Bleiche kam, tritt das Phänomen heute vielerorts im Abstand von nur wenigen Jahren auf – so massiv wie aktuell in vielen Riffen bereits zum vierten Mal seit 2016. Den Korallen bleibt damit kaum Zeit zur Erholung, und sie werden noch stressanfälliger. Zurzeit beobachten Forscher zudem vermehrt das Auftreten neuer Rifferkrankungen.

Andrea Grottoli verweist darauf, dass Riffe sich zwar nur über gut ein Prozent der Ozeane erstrecken, doch dass etwa ein Viertel aller Fische und wirbellosen Meerestiere diese Areale zumindest zeitweilig nutzen. Das macht das ganze Ausmaß der Bedrohung deutlich. Nach Berechnungen von Wissenschaftlern vom Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung sterben bei 1,5 Grad Celsius Erwärmung des Meeres zwischen 70 und 90 Prozent der Rifffläche ab, bei 2 Grad Celsius sogar über 99 Prozent.

Hitzeresistente Algen

Um diesen Wärmeeffekten entgegenzuwirken, verfolgt ein Forscherteam um Madeleine van Oppen von der University of Melbourne den Ansatz, den Algen abzugewöhnen, bei Überhitzung die schädigenden Stoffe zu produzieren, die zur Abstoßungsreaktion führen. In einem Experiment wurden dafür zunächst Mikroalgen von den gastgebenden Korallen entfernt und vier Jahre lang über viele Algengenerationen hinweg steigenden Wassertemperaturen ausgesetzt. Danach kamen die gezüchteten Algen wieder mit Korallenlarven in Kontakt. Der Erfolg war da, wenn auch begrenzt: Bei einem Temperaturanstieg um drei Grad Celsius, bei dem sonst in (sub-)tropischen Riffen die Korallenbleiche einsetzt, blieb die Symbiose zwischen Alge und Koralle bestehen. Ob sich mit abgehärteten Symbionten künftig Riffe tatsächlich besser schützen lassen, muss sich nun noch unter natürlichen Bedingungen erweisen – ebenso wie noch zu klären ist, ob die Hitzeresistenz der Algen von Dauer ist.

Christian Voolstra, Experte für genetische Adaptation in aquatischen Systemen an der Universität Konstanz, plädiert dafür, in der Natur bereits vorhandene Ansätze zu identifizieren und daraus Methoden abzuleiten, um die Hitzebeständigkeit von Korallen zu erweitern. Ziel sei die Hilfe zur Selbsthilfe.

Eine solche Strategie ist etwa, besonders hitzeresistente Korallen ausfindig zu machen und bei ihnen jene Gene aufzuspüren, die die robusten Eigenschaften kodieren. Manche Korallenriffe nahe der Küste bieten sich dafür an. Sie sind stark schwankenden tageszeitabhängigen Wassertemperaturen ausgesetzt, und dort lebende Korallen sind entsprechend widerstandsfähig. Die Hoffnung ist, in diesen Arten oder Stämmen Mutationen zu finden, die sich bewährt haben.

Ein anderer Weg ist, Korallenlarven an härtere Umweltbedingungen anzupassen, indem man sie immer wieder durch bestimmte Umweltreize stresst und so nach und nach durch Konditionierung resistent werden lässt. Experten wie Voolstra nennen das „Environmental Hardening“.

Andere Forschungsansätze machen sich zunutze, dass die freischwimmenden Korallenlarven in der frühen Entwicklungsphase meist noch nicht fest mit Algen verbunden sind – zur Symbiose kommt es erst später. Den jungen Korallenlarven könnte man also bestimmte vorteilhafte Algenarten vorgeben. Tatsächlich haben erste Versuche gezeigt, dass gesteuerte Symbiosen mit robusten Algenarten Bestand hatten.

Hilfreiche Mikroorganismen

Korallen leben nicht nur mit Algen in einer Gemeinschaft, sondern auch mit einer Vielzahl von noch unbekannten Mikroorganismen. Jene winzigen Symbionten stärken die Baumeister der Meere, indem sie deren Stoffwechsel unterstützen oder bei der Abwehr von Krankheiten helfen. Zudem ist ein starker Gesamtorganismus hitzetoleranter.

Mit der Genetik jener Mikroorganismen, die sowohl auf der Oberfläche der Korallen als auch in ihrem Inneren leben, beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen Vega Thurber und Grace Klinges von der Oregon State University, USA. Mittlerweile haben sie zigtausende Proben von Korallenriffen aus aller Welt gesammelt und Hunderttausende von Mikroorganismen identifiziert, die sich dort tummeln. Die Forscherinnen stellten fest, dass die kleinen Mitbewohner sehr viel schneller auf Veränderungen reagieren können als ihre Wirte. Deshalb hoffen sie, dass sie einige davon gezielt mit Korallen zusammenbringen können, um die empfindlichen Architekten der Riffe zu schützen, bevor sie dazu selbst in der Lage sind.

Erste Ergebnisse wurden 2022 vorgelegt. Die Forscherinnen hatten einige Exemplare der in den Gewässern Hawaiis beheimateten Korallenart Porites Compressa eine Zeit lang verschiedenen Umweltstressoren wie Hitze oder hohem Nährstoffeintrag ausgesetzt. Anschließend sequenzierten sie die Genome der mit den Korallen zusammenlebenden Mikroorganismen. „Je nach eingesetztem Stressfaktor wiesen die Mikrobiome der Korallen charakteristische Veränderungen auf“, sagt Thurber.

Als nächster Schritt ist eine Bibliothek der Mikrobiome aller Korallenarten aus den verschiedenen natürlichen Umgebungen geplant. Inzwischen sind über 40.000 Proben gezogen, deren Auswertung noch einige Zeit dauern wird.

Ein gesundheitsfördernder Cocktail

Ebenfalls mit Mikroorganismen arbeitet die Meeresbiologin Erinn Muller vom Mote Marine Laboratory in Sarasota, USA. Sie identifizierte Korallen mit einem genetisch verankerten besseren Schutz vor einigen Korallenkrankheiten. Die Resistenzen betreffen vor allem Infektionen, wie sie typischerweise von Bakterien der Gattung Rickettsia verursacht werden. Diese Mikroben ließen sich in den Proben kranker Korallen etwa 50 Mal so häufig nachweisen wie in Geweben gesunder. Die Forscherinnen gingen nun zwei Wege: Zum einen übertrugen sie die offensichtlich gesundheitsfördernden Mikroorganismen stressresistenter Korallen auf anfällige Korallen. Zum anderen verabreichten sie kranken Korallen einen „probiotischen Cocktail“, bestehend aus einem Mix verschiedener Bakterien, die von besonders hitzetoleranten Kolonien stammten. Beide Wege waren erfolgreich.

Mittlerweile wird dieses Vorgehen auch bei der gezielten Neuansiedlung von Korallen erprobt. Sie sollen dadurch nach und nach Mikrobiome entwickeln, die ihnen bei schlechteren Bedingungen bessere Überlebenschancen verschaffen. Möglicherweise lassen sich beschädigte Korallenriffe mit dieser Methode regenerieren. In den nächsten 15 Jahren sollen weit mehr als eine Million solcher im Labor gezüchteter Korallen ins offene Meer gebracht werden – eines der umfangreichsten Renaturierungsprojekte, die es je gab. Erste Versuche in besonders hitzegestressten Gewässern haben gezeigt: Zumindest einen Monat nach der Freisetzung erfreuen sich die Korallen immer noch bester Gesundheit, während die Kontrollexemplare deutliche Anzeichen von Ausbleichung erkennen lassen.

Körpereigener Ventilator

Ein internationales Team um Soeren Ahmerkamp vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen sowie Cesar Pacherres und Moritz Holtappels vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) in Bremerhaven hat entdeckt, dass Steinkorallen mithilfe von winzigen Flimmerhärchen die Strömungsverhältnisse in ihrer Umgebung beeinflussen und sich so vor schädlichen Sauerstoffkonzentrationen schützen können.

„Ausgangspunkt war unsere Beobachtung, dass bei Hitzestress nicht alle Korallen eines Riffs der Korallenbleiche zum Opfer fallen“, erklärt Cesar Pacherres. „Einige bleichen schnell, andere gar nicht – wir fragten uns warum.“

Um das herauszufinden, nahmen die Forscher das komplexe Zusammenleben zwischen der Steinkoralle Porites lutea und ihren grünen Mitbewohnern genauer unter die Lupe. Eines der Probleme der Unterwasser-Wohngemeinschaft besteht demnach darin, dass bei der Photosynthese der Algen jede Menge Sauerstoff frei wird. Obschon dieser lebenswichtig für die meisten Tiere und Pflanzen ist, kann zu viel davon gerade in warmem Wasser gefährlich werden. Denn bei einer zu hohen Konzentration verarbeitet der Photosynthese-Apparat der Algen verstärkt Sauerstoff statt Kohlendioxid. Dadurch wird nicht nur weniger Energie gewonnen, es entstehen auch Sauerstoff-Radikale, die Zellen schädigen können. „Bei zu viel Sonnenlicht haben Korallen das Problem, den überschüssigen Sauerstoff loszuwerden“, erklärt Pacherres. „Geringe Wasserbewegung und hohe Temperaturen fördern diesen sogenannten oxidativen Stress, der als Hauptursache für die Korallenbleiche gilt.“

Die Wissenschaftler folgten der Spur des Sauerstoffs und stellten fest, dass sich dessen Produzenten in den untersuchten Korallen keineswegs gleichmäßig verteilen. In manchen Bereichen ist der Algenbestand viel dichter als in anderen. „Wir hatten erwartet, dass sich über diesen Hotspots der Photosynthese die höchsten Sauerstoffkonzentrationen im Wasser finden würden“, sagt Soeren Ahmerkamp. „Überraschenderweise war genau das Gegenteil der Fall.“

Damit war klar: Der Stoffaustausch zwischen den Korallen und ihrer Umgebung findet ganz anders statt als gedacht. Bisher hatte man angenommen, dass freigesetzte Substanzen einfach durch Diffusion von den Regionen mit hoher zu solchen mit niedriger Konzentration wandern. Doch dann hätte sich dort am meisten Sauerstoff finden müssen, wo er am meisten produziert wird. Ein anderes Muster kann nur entstehen, wenn es eine Art aktiven Transport in den Korallen gibt – und inzwischen wissen die Forscher auch, wie die Korallen das machen.

„Der Trick besteht darin, dass die Flimmerhärchen auf der Oberfläche der Korallen durch koordiniertes Schlagen kleine Wirbel erzeugen“, erläutert Soeren Ahmerkamp. Auf diese Weise beeinflussen die Korallen die Strömung, und die Bereiche mit vielen Algen werden gezielt belüftet. Sauerstoffarmes Wasser wird neben die Flecken mit den höchsten Algendichten gestrudelt. Dort wird es mit Sauerstoff beladen – und durch den aufsteigenden Wirbel wird dieser weiter oben wieder ins Meer entlassen.

Mithilfe eines Computermodells haben die Forscher diesen Mechanismus simuliert. Durch die Wirbel in der Nachbarschaft der Algen können die Steinkorallen den Bereich mit kritischer Sauerstoffkonzentration um die Hälfte reduzieren. „Damit sind sie nicht auf Gedeih und Verderb der Meeresumwelt ausgeliefert, wie man bisher gedacht hat“, resümiert Moritz Holtappels. Allerdings ist dieses ausgeklügelte Ventilationssystem offenbar nicht bei allen Korallen gleich gut ausgebildet. Das könnte erklären, warum manche zeitiger beziehungsweise stärker ausbleichen als andere.

Korallen können umziehen

Die Reaktionen von Steinkorallen, bei denen wahlweise die Temperatur, der CO2-Gehalt oder der Salzgehalt verändert wurde, analysierte das Team von Fabian Gösser vom Lehrstuhl für Evolutionsökologie und Biodiversität der Tiere an der Ruhr-Universität Bochum. „Wir unterzogen die Korallen einem Stresstest und gaben extreme Umweltbedingungen vor“, erläutert Fabian Gösser das Vorgehen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Korallen diesem künstlichen Klimawandel etwas entgegensetzen konnten. „Bei einem Temperaturanstieg um vier Grad Celsius über ihrer Toleranz lösten sich einzelne Polypen aus der Korallenkolonie, sie verließen sozusagen das sinkende Schiff“, erklärt Gösser.

Noch erstaunlicher sei es, dass diese Polypen in der Lage waren, andernorts weiterzuwachsen. Selbst, wenn nur wenige den Ablösungsprozess überleben und anderswo weiter gedeihen, ist das eine sehr gute Nachricht. Denn möglicherweise lässt sich der Mechanismus gezielt einsetzen. Diese Umzugsmöglichkeit hätte immense Folgen für den Erhalt der Korallenpopulationen, deren genetische Diversität und damit für das Überleben der Riffe, sagt Gösser. Er hat sich den Prozess auf molekularer Ebene angeschaut und analysiert, was mit den Polypen passiert, wenn sie abgetrennt werden, und welche Gene während des Ausschleusungsprozesses arbeiten. Ergebnis: „Es sind unter anderem jene Gene angeschaltet, die beim Menschen beispielsweise für Immunreaktionen verantwortlich sind.“

Optimismus ist begründet

Hoffnung keimte jüngst auch durch eine Meldung auf, der zufolge Korallen im Golf von Akaba im Roten Meer einen deutlich höheren Temperaturanstieg ertragen als ihre Artgenossen anderswo. „Weit über den Höchstwert von 27 Grad Celsius“, sagt Maoz Fine vom Interuniversity Institute for Marine Sciences in Eilat, Israel. Vergleichende Aquarienversuche hatten ergeben, dass den Korallen von Akaba ein Temperaturanstieg um bis zu sechs Grad Celsius über dem bisher dort bekannten Höchstwert nichts anhaben konnten.

„Wir haben etwa 20 verschiedene Korallenarten untersucht. Sie zeigten durchweg eine hohe Toleranz gegenüber thermischem Stress“, erklärt Fine. Womöglich findet sich bei ihnen ein wirksamer Hebel, das weltweite Korallensterben aufzuhalten – indem die verantwortlichen genetischen Sequenzen gefunden und genutzt werden.

Und es gibt noch ein anderes vielversprechendes Experiment: Nahe der Heron-Insel am Great Barrier Reef arbeitet ein Forscherteam um den Meeresbiologen Peter Harrison von der Southern Cross University in Lismore, Australien, an der Nachzucht von gesunden Korallen. Aus eingesammelten Koralleneiern und Korallensperma wurden im Labor Millionen von Larven gezüchtet und diese in besonders gefährdeten Zonen freigelassen – Zonen, die sich vermutlich nicht mehr von allein regenerieren könnten. Nach acht Monaten fanden die Wissenschaftler gut 100 Jungkorallenstöcke, die sich auf den toten Enden des Riffs angesiedelt hatten.

Am Great Barrier Reef arbeiten derzeit etliche Forscher daran, das aus knapp 3000 Einzelriffen bestehende, 2300 Kilometer lange Wahrzeichen Australiens zu retten. Unter den Forschungsprojekten sind auch solche, die nicht unmittelbar bei den Korallen selbst ansetzen. So gibt es Versuche, die Tritonshornschnecke, eine seltene Riesenschnecke von bis zu einem halben Meter Länge, in größerer Zahl zu züchten. Denn auf ihrem Speiseplan steht der gefürchtete korallenverspeisende und häufig in Massen auftretende Dornenkronenseestern.

Und zu guter Letzt gibt es noch einen weiteren Grund, intensiv über die Rettung der Riffe nachzudenken. In diesem Jahr soll das zwanzigste Medikament mit Wirkstoffen, die ihren Ursprung in tropischen Riffen haben, auf den Markt kommen. Zahlreiche vielversprechende Stoffe, insbesondere für die Krebstherapie, durchlaufen gerade das Zulassungsverfahren – und das ist vielleicht die beste Nachricht dieses Artikels.