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Evolution und das Kippen von Ökosystemen 2019
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Evolution und das Kippen von Ökosystemen

Seit dem 20. Jahrhundert werden weltweit seichte Seen beobachtet, die auch bei steigenden Nährstoffeinträgen lange klar bleiben. Fast von einem Tag auf den anderen werden sie aber plötzlich trüb - und verharren hartnäckig in diesem Zustand, auch wenn der Nährstoffeintrag wieder reduziert wird.

Klarer See wird trüb

«Diese Seen sind eines der am besten untersuchten Beispiele für kippende Ökosysteme», sagt Blake Matthews von der Abteilung Fischökologie und Evolution des Wasserforschungsinstituts Eawag.

Im Seeboden verwurzelte Wasserpflanzen (Makrophyten) entziehen dem System für ihr Wachstum viele Nährstoffe. Damit hemmen sie das Algen-(Phytoplankton-)Wachstum und wirken so lange als «Puffer». Übersteigt aber die Nährstoffkonzentration die Kapazität der Wasserpflanzen, nehmen die Algen überhand; das Wasser wird trüb, und ein Teufelskreis kommt in Gang: Den Wasserpflanzen fehlt das Licht, sie gehen ein und können auch keine Nährstoffe mehr binden; die Algen vermehren sich exponentiell weiter, und das ganze System kippt schnell in einen konstant trüben und überdüngten Zustand. Damit kommen viele der ursprünglichen Seebewohner nicht mehr zurecht; und die Evolution der überlebenden Populationen wird in eine ganz neue Richtung gelenkt. Deshalb ist selbst nach einer Reduktion der Nährstoffkonzentration auf das ursprüngliche Mass der neue Zustand dem ursprünglichen höchstens ähnlich, nicht aber gleich.

Merkmale der Arten spielen Schlüsselrollen

Bei Veränderungen, die nicht mehr langsam und graduell sind, sondern abrupt zu einem ganz anderen Zustand führen, sprechen Biologen von «kippenden Ökosystemen». Anders als bei einem Lichtschalter lässt sich das Kippen eines komplexen natürlichen Systems allerdings kaum rückgängig machen.

Ökologen erforschen solche Kippmomente intensiv, denn durch menschliche Aktivitäten sind immer mehr lebenswichtige Systeme bedroht - von überfischten Meeren über erodierende Böden bis zu Korallenriffen, die dem Klimawandel zum Opfer fallen.

Dabei mehren sich die Hinweise, dass Veränderungen erblicher oder erworbener Merkmale von Pflanzen, Tieren und anderen Organismen das Kippen oder auch die Erholung des Systems beeinflussen. So können sich zum Beispiel manche Wasserpflanzen mit schnellem Längenwachstum an die Wassertrübung anpassen, weil ihr Erbgut eine variable Ausprägung dieses Merkmals zulässt; sie erreichen rechtzeitig die oberste, helle Wasserschicht und können so das Wasser weiter klären und den Moment des Kippens hinausschieben. Umgekehrt hat die Evolution vermutlich den Zusammenbruch überfischter Kabeljauschwärme beschleunigt: Sie konnten sich nicht mehr erholen, weil die dafür nötige genetische Vielfalt durch den einseitigen und viel zu intensiven Befischungsdruck zuvor schon aus ihrem Erbgut «herausgefiltert» worden war.

Modelle für gezielte Untersuchungen

«Vieles verstehen wir noch nicht», sagt Blake Matthews. Gleich wie die anderen Autoren der Studie, die sich in Frankreich, Kanada, Grossbritannien, Schweden, den Niederlanden und Belgien mit nachhaltiger Entwicklung, Evolutionsbiologie und der Stabilität von Ökosystemen beschäftigen, plädiert der Eawag-Forscher nun dafür, die Rolle der Evolution auf Stabilisierung und Destabilisierung von Ökosystemen besser zu untersuchen.

«Allerdings ist es sehr schwierig, ganze Ökosysteme zu erforschen», sagt Matthews. "Sie sind meist zu gross und zu komplex." Die neue Publikation stösst deshalb die Entwicklung von Modellen an, mit denen man Kipp-Punkte identifizieren und mit kontrollierten Experimenten - etwa im Labor oder in den «Mesokosmen» der Eawag in Dübendorf - gezielt erforschen könnte, wie sich Ökosysteme besser schützen oder ihre Erholung fördern liesse.

Originalpublikation

Vasilis Dakos, Blake Matthews et al.: Ecosystem tipping points in an evolving world; Perspective in Nature Ecology & Evolution, advanced online 19 Feb 2019, https://doi.org/10.1038/s41559-019-0797-2

Quelle: Text von Sibylle Hunzike und Andri Bryner, Eawag , 26. Februar 2019
Erbfaktoren - Gene - Genome - DNA

Zu den Hauptbestandteilen eines Zellkerns gehören die «Nukleoproteide». «Nukleoproteide» sind Substanzen, die aus «Nukleinsäuren» und einem Protein (Eiweiss) bestehen. Die «Nukleinsäuren» steuern die Bildung der Enzyme in den Zellen. Sie sind damit die Träger der «Erbfaktoren = Gene = Genome». Eine wichtige «Nukleinsäuren» ist die «Desoxyribonukleinsäure (DNS)». Die DNS wird auch DNA (engl. A = Acid = Säure) genannt. Die DNS ist in den Chromosomen lokalisiert. Bei der Zellkernteilung werden die Chromosomen längs geteilt. Jeder der geteilten Zellkerne enthält jeweils die Hälfte jedes einzelnen Chromosoms.

Die DNA enthält den gesamten Bauplan eines Organismus. Aufgrund dieser Anleitung weiss jede Zelle, wie sie sich entwickeln und welche Aufgabe sie erfüllen muss.

Die Chromosomen (griech: Farbkörper) befinden sich in den Zellen von Lebewesen. Der wichtigste Bestandteil der Chromosomen ist bei den meisten Lebewesen die «Desoxyribonucleinsäure (DNS). Die Chromosomen sind die Träger der Erbanlagen. Die Reihenfolge der Gene in den Chromosomen ist ein wichtiger Indikator für die Identität eines Lebewesens.
Photosynthese
Mit der Photosynthese stellen Pflanzen mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid Kohlenhydrate her. Algen gewinnen die Energie, die sie für die Photosynthese benötigen, durch die Absorption des Sonnenlichts mit bestimmten Pigmenten wie dem Chlorophyll.

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