Die Zukunft der Korallen – Was Röntgenuntersuchungen zeigen können
In diesem Sommer war es in allen Medien. Angetrieben durch die Klimakrise
haben nun auch die Ozeane einen kritischen Punkt überschritten, sie
versauern immer mehr. Dies kann auch Korallenriffe bedrohen, die ohnehin
schon unter Hitzewellen und der damit verbundenen Korallenbleiche leiden.
Die Meeresbiologin Prof. Dr. Tali Mass von der Universität Haifa, Israel,
ist Expertin für Steinkorallen. Zusammen mit Prof. Dr. Paul Zaslansky von
der Charité Berlin untersuchte sie an BESSY II die Skelettbildung bei
Babykorallen, die unter verschiedenen pH-Bedingungen aufgezogen wurden.
Ihre Studie liefert überraschende Einblicke in einen komplexen Prozess.
Ein (online)-Interview mit Prof. Dr. Tali Mass und Prof. Dr. Paul
Zaslansky zu ihrer aktuellen Studie und der Zukunft der Korallenriffe.
Welche Korallenarten haben Sie untersucht?
Tali Mass: Es handelt sich um Korallenlarven aus Kolonien der Steinkoralle
Stylophora pistillata aus dem Roten Meer. Wir haben sie im April 2020
während der Laichnächte in einer Tiefe von wenigen Metern selbst
gesammelt. Sie stammen aus dem Riff im Golf von Eilat, Israel. Wir haben
diese Larven mehrere Wochen lang in unserem Aquariensystem bei
unterschiedlichen pH-Bedingungen wachsen lassen. Einige Becken enthielten
normales Meerwasser, während andere Bedingungen simulierten, wie sie für
das Ende dieses Jahrhunderts ohne weltweiten Klimaschutz prognostiziert
werden. Dieses Szenario, das unter dem Kürzel RCP8.5 läuft, bedeutet eine
erhebliche Versauerung der Ozeane, verbunden mit einem globalen
Temperaturanstieg von vier Grad oder mehr, was voraussichtlich zu großen
globalen Störungen führen wird. In diesem Zusammenhang geben uns Korallen
einen Einblick in eine mögliche, düstere Zukunft.
Wie bilden Korallen diese komplexen Strukturen?
Tali Mass: Das Überleben der Korallen hängt von der Bildung eines robusten
Skeletts in ganz frühen Lebensphasen ab. Jedes einzelne Korallentier baut
dabei an der Struktur mit, indem es das Mineral Kalziumkarbonat absondert.
Paul Zaslansky: Das Skelett besteht aus zwei verschiedenen Komponenten:
den Kalzifizierungszentren (RADs) sowie faserartigen Strukturen (TDs).
RADs bestehen aus körnigem Kalziumkarbonat, während TDs aus dicht
gepackten, länglichen Kristallen bestehen, hauptsächlich Aragonit.
Seltsamerweise ist vieles über den Prozess des Skelettwachstums noch
unklar. Allgemein wurde angenommen, dass sich zuerst die RADs bilden, und
sich danach die TDs anheften, die nach außen wachsen.
Warum sind diese Details wichtig?
Tali Mass: Detaillierte Kenntnisse über die Skelettbildung von Korallen
sind wichtig, insbesondere auch für die Vorhersage der Zukunft und die
Suche nach Möglichkeiten zum Eingreifen. Damit könnten wir
Schutzstrategien entwickeln, die wir auch in der Praxis testen könnten.
Gleichzeitig ist es einfach faszinierend zu erforschen, wie solche
komplexen Skelettarchitekturen in der Natur entstehen. Dies könnte sogar
eine Inspiration für die Entwicklung neuer Materialien sein.
Wie konnten Sie die Skelettbildung untersuchen?
Paul Zaslansky: An der BAMline bei BESSY II haben wir einen Weg gefunden,
direkt und dreidimensional zu visualisieren, wo und wann sich die
Mineralphasen der Korallen gebildet haben. Mit kontrastverstärkter und
absorptions-tomografischer Bildgebung und sorgfältiger KI-gestützter
Analyse der großen Datenmengen haben wir die Proben untersucht. Die
Ergebnisse waren ziemlich unerwartet. Um sicherzustellen, dass sie echt
waren, haben wir sie überprüft und dafür verschiedene Methoden kombiniert:
hochauflösende Synchrotron-Röntgen-μCT, Rasterelektronenmikroskopie (REM)
und Röntgenbeugung (XRD) sowie Röntgenfluoreszenz (XRF)-Kartierung. So
konnten wir die Mineralphasen unterscheiden, ihre Zusammensetzung
entschlüsseln und ihre dreidimensionale Wachstumsdynamik verstehen.
Außerdem haben wir Monte-Carlo-Simulationen verwendet, um die Ergebnisse
richtig zu interpretieren.
Was ist dabei herausgekommen?
Paul Zaslansky: Tatsächlich können wir nun die Skelettstruktur,
einschließlich der mineralischen Zusammensetzung von TDs und RADs, viel
besser beschreiben. Unsere Daten zeigen, dass RADs und TDs gleichzeitig
entstehen und nicht nacheinander, wie angenommen. Dies erhellt auch, wie
sich Korallen an ihre Umgebung anpassen. Wir haben deutliche Unterschiede
unter normalen und unter versauerten Meeresbedingungen beobachtet. Bei
starker Versauerung, d. h. einem pH-Wert von 7,6, entwickeln sich RADs nur
unzureichend, was die Stabilität des Skeletts verringert. Gleichzeitig
haben wir beobachtet, dass sowohl TDs als auch RADs unter sauren
Bedingungen eine höhere Dichte aufweisen als unter normalen Bedingungen.
Dies deutet darauf hin, dass die Korallen ihre Kristallproduktion
anpassen. Das ist faszinierend.
Was erwarten Sie für die Zukunft? Wird es noch Korallenriffe geben?
Tali Mass: Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Auswirkungen der
Ozeanversauerung auf die Skelettbildung von Korallen komplexer sind als
bisher angenommen. Ob dies ausreicht, um ihr Überleben zu sichern, ist
sehr fraglich. Bislang haben sich die Korallen im Roten Meer als
beeindruckend widerstandsfähig gegenüber Hitzewellen erwiesen, aber das
könnte sich ändern, wenn globale Erwärmung und Versauerung weiter
voranschreiten. Wir können sehen, dass ein niedrigerer pH-Wert zu weniger
Stabilität führt, was definitiv ein zusätzlicher Stressfaktor ist. Wir
brauchen dringend wirksame Klimaschutzmaßnahmen, um die schlimmsten
Szenarien zu verhindern.
Vielen Dank für das Gespräch!
Infobox: Steinkorallen
Steinkorallen laichen zu bestimmten Zeiten im Jahr. Zunächst entwickelt
sich der Laich zu einer Planula-Larve, die im Ozean treibt und sich dann
irgendwo auf einem bestehenden Riff niederlässt, um zu einem winzigen
Polypen zu werden. Diese Polypen scheiden eine Kalziumverbindung aus,
wodurch das Riff wachsen kann. Korallen filtern Mikroplankton, Nährstoffe
und Spurenelemente aus dem Wasser. Sie sind jedoch auch auf symbiotische
Algen angewiesen, die sie in ihrem Außengewebe speichern. Diese Algen
verleihen den Korallen ihre intensiven Farben. Während mariner Hitzewellen
beginnen die Algen, giftige Substanzen zu produzieren. Infolgedessen
stoßen die Korallen die Algen ab, sie „bleichen“ aus und sterben kurz
darauf ab. Die globale Erwärmung führt dazu, dass starke marine
Hitzewellen viel häufiger auftreten, was die Gesundheit von Korallenriffen
weltweit bedroht. Darüber hinaus treibt der Klimawandel die Versauerung
der Ozeane voran. Die deutlich saurere Umgebung hat schädliche
Auswirkungen auf das Korallenskelett, was wiederum das Wachstum der
Korallen gefährdet.
Infobox: BESSY II:
BESSY II ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die extrem brillante,
intensive Röntgenimpulse für die Materialforschung erzeugt. Es stehen
verschiedene Methoden zur Verfügung, um Proben sowohl hinsichtlich ihrer
strukturellen Zusammensetzung als auch hinsichtlich der chemischen und
physikalischen Prozesse, die während der Untersuchung ablaufen, zu
analysieren. An der BAM-Linienbildgebungsstation können innerhalb weniger
Minuten dreidimensionale Computertomogramme mit Submikronauflösung und
Röntgenkontrastverstärkung aufgenommen werden.
