Monatsthema „Biodiversität“: Hier entsteht der meiste Fisch: Nährstoffreiche Meeresgebiete im Blick der Forschung

Küstenauftriebssysteme gehören zu den produktivsten Meeresregionen weltweit. Obwohl sie nur zwei Prozent der Meeresoberfläche ausmachen, stammen 20 Prozent des weltweiten Fischfangs aus Auftriebsgebieten. Auf einer Expedition mit dem Forschungsschiff MARIA S. MERIAN untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, warum gerade das Küstenauftriebsgebiet des Humboldtstroms vor Peru so produktiv ist.

Am 23. Dezember 2018 durchquerte das Forschungsschiff MARIA S. MERIAN den Panama-Kanal und nahm Kurs auf die Küste von Peru. 21 Meeresforscherinnen und Meeresforscher verbrachten Weihnachten und den Jahreswechsel 2019 an Bord. Ziel der Expedition war es, das Auftriebsgebiet vor Peru zu erforschen. Das außergewöhnlichste Erlebnis der Forscherinnen und Forscher war es jedoch, die größte Tierwanderung der Welt live zu verfolgen.

Größte Tierwanderung der Welt

Jeden Abend kurz vor Sonnenuntergang begeben sich überall in den Weltmeeren winzige Meereslebewesen – Planktonorganismen und Fische – auf ihre Wanderung zur Meeresoberfläche, um dort im Schutz der Dunkelheit winzige Algen zu fressen. Bei Sonnenaufgang sinken sie dann wieder mehrere hundert Meter tief ab, wo sie bei kälteren Temperaturen den Tag verbringen. „Dieses Phänomen heißt tagesperiodische Vertikalwanderung, erklärt der Bremer Meeresbiologe Holger Auel, der die aktuelle MARIA S. MERIAN-Expedition leitet. Dabei handele es sich um die „mit großem Abstand größte Tierwanderung und Biomasseverschiebung auf der Erde. Auf der Expedition hatten die Forschenden die einmalige Gelegenheit, diese Wanderung während einer 24-Stunden- Messkampagne rund um die Uhr zu beobachten und mit ihren Messinstrumenten zu untersuchen. Besonders beeindruckt war Auel von den riesigen Krebstierschwärmen: „Pünktlich eine halbe Stunde vor Sonnenuntergang machte sich der Krill Euphausia mucronata auf den Weg von seinem Tagesaufenthalt in 300 Metern Tiefe zur Oberfläche, wo er die Nacht über blieb, berichtet der Meeresforscher fasziniert.

Nährstoffreiches Tiefenwasser kurbelt die Produktivität an

Doch die Tierwanderung ist nur ein Thema, das den Wissenschaftler auf der aktuellen Forschungsfahrt mit der MARIA S. MERIAN beschäftigt. In erster Linie erhofft sich Auel eine Antwort auf die Frage, warum vor der Küste Perus so viel Fisch vorkommt. Bereits bekannt ist, dass sich hier eines der wichtigsten Auftriebsgebiete der Welt befindet. Auftriebsgebiete sind Regionen im Meer, in denen kaltes Tiefenwasser nach oben steigt und viele Nährstoffe an die Oberfläche transportiert. „Sobald die Nährstoffe an die lichtdurchflutete Oberfläche des Meeres kommen, düngen sie Algen, die dann wiederum als Nahrung für Planktonkrebse und Fische zur Verfügung stehen, erklärt Auels Kollege Ulf Riebesell die außergewöhnlich hohe Produktivität der Auftriebsgebiete. Als Nahrungsquelle sind sie damit ähnlich wichtig wie der Regenwald oder intensiv genutzte Ackerbauflächen. Mehr als eine Milliarde Menschen sind auf Fisch und andere Meereslebewesen als primäre Proteinquelle angewiesen.

Miniatur-Auftriebsgebiet Kieler Förde

Auftriebsgebiete gibt es überall dort, wo bestimmte Windverhältnisse und Wassertemperaturen aufeinandertreffen: „Manchmal ist sogar die Kieler Förde ein Auftriebsgebiet, berichtet Riebesell, der die Forschungseinheit Biologische Ozeanografie am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel leitet. „Nämlich immer dann, wenn starker Südwestwind das Oberflächenwasser aus der Kieler Förde treibt und nährstoffreiches Tiefenwasser aus der Kieler Bucht nachdrängt.

Quelle marinen Lebens – jedes zehnte Kilo Fisch kommt aus dem Humboldtstrom
Die vier größten Auftriebsgebiete auf der Erde sind der Humboldtstrom vor Peru, der Kanarenstrom vor Nordwest-Afrika, der Benguelastrom vor Südwest-Afrika und der Kalifornienstrom vor der nordamerikanischen Pazifikküste. Eine Besonderheit zeigt dabei der Humboldtstrom, den die Forscherinnen und Forscher auf der MARIA S. MERIAN unter die Lupe nehmen: „Obwohl alle diese Systeme eine ähnliche Auftriebsstärke haben, übertrifft der Humboldtstrom die anderen beim Fischerei-Ertrag um das Acht- bis Zehnfache, so Holger Auel. Allein eine Fischart, die peruanische Sardelle, trägt in manchen Jahren bis zu zwölf Millionen Tonnen zum Fang bei – das entspricht mehr als zehn Prozent des weltweiten Fischerei-Ertrags aus dem Meer, erklärt Auel weiter. Gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam geht er daher der Frage nach, warum gerade der Humboldtstrom vor Peru so viel Fisch liefert.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert die Forschung zu dem nährstoffreichen Auftriebsgebieten vor den Küsten im Rahmen des Projekts CUSCO (Coastal Upwelling System in a Changing Ocean) mit rund 3,2 Millionen Euro.

Von winzigen Algen zum Speisefisch in zwei Schritten: Kurze Nahrungskette im Humboldtstrom

„Die Besonderheit der Auftriebsgebiete sind die kurzen Nahrungsketten, erklärt Ulf Riebesell, der das CUSCO-Projekt koordiniert. Die kürzeste Nahrungskette gibt es im Humboldtstrom vor Peru: „Kleine Algen werden von Zooplankton oder Krill gefressen, von dem sich wiederum die peruanische Sardelle ernährt, in der Bevölkerung oft besser als Anchovis bekannt. Biologinnen und Biologen gehen davon aus, dass von einer Stufe der Nahrungskette zur nächsthöheren rund zehn Prozent der Biomasse weitergegeben werden: Vereinfacht gesagt werden aus hundert Kilogramm Algen zehn Kilogramm Krill, die wiederum einem Kilogramm Sardellen entsprechen. Die Sardelle an dritter Stelle in der Nahrungskette wird direkt gefischt. „In anderen Ozeanregionen kann erst die vierte oder fünfte Ebene der Nahrungskette befischt werden. Von 100 Kilogramm Algenproduktion können dann gerade mal 100 Gramm beziehungsweise 10 Gramm Fisch gewonnen werden, so Riebesell.

Neue Erkenntnisse aus dem Südpazifik

Die Forscherinnen und Forscher auf der MARIA S. MERIAN beobachten, dass der Auftrieb entlang der langen peruanischen Küste ein komplexes, räumlich und zeitlich sehr variables Phänomen ist, das stark von der aktuellen Windstärke abhängt. Holger Auel schreibt in einer Mail an seine Kolleginnen und Kollegen in Kiel: „Leider haben wir zurzeit sehr schwache Winde, so dass der windgetriebene Auftrieb momentan nur schwach ist. Relativ warmes Wasser mit 22°C erstreckt sich bis an die Küste, so dass wir auf dieser Expedition bisher keine aktive Auftriebszelle angetroffen haben. Die Nachricht aus dem Südpazifik macht den Ozeanografen Riebesell hellhörig: „Eigentlich würde man erwarten, dass es da jetzt gerade kräftigen Auftrieb gibt. Zwar bräche der Auftrieb etwa alle sieben bis zwölf Jahre zusammen, was auf das Wetterphänomen El Niño zurückzuführen sei. „Wir hatten aber gerade in den Jahren 2015 und 2016 einen großen El Niño, sagt Riebesell, weshalb der Auftrieb und damit auch der Fischfang aktuell und für die nächsten Jahre hoch sein sollten.

El Niño
Das Extremwetterphänomen El Niño – spanisch für „Christkind – tritt in unregelmäßigen Abstände etwa alle vier Jahre zur Weihnachtszeit auf und hat durch Veränderungen der Strömungen im ozeanographisch-meteorologischen System weltweite Auswirkungen auf das Klima. Etwa alle sieben bis zwölf Jahre ist der El Niño so verheerend, dass der Auftrieb vor Südamerika ganz zum Erliegen kommt und die Fischbestände massiv einbrechen.

„Physikalisch nicht zu erklären

Bereits im Jahr 2017 beobachteten Riebesell und sein Forscherteam vor Ort ein bislang unerklärliches Phänomen: Unvermittelt brach der Auftrieb vor Perus Küste komplett zusammen, allerdings beschränkt auf die Küstenregion. Dieses seltene, als Küsten-El Niño bezeichnete Ereignis wurde bisher nur einmal vor etwa 100 Jahren beobachtet. „Das war verbunden mit enormen Überschwemmungen an Land, hervorgerufen durch heftigen Regen über den Anden, und mit einem Einbruch des Fischfangs, so Riebesell, „ein dramatisches Ereignis für die Region. Die Ozeanografen um Riebesell rätseln noch, welche physikalische Ursache dem ungewöhnlichen Zusammenbruch des Auftriebs entlang der Küste zugrunde liegt, der das Klima nicht nur regional, sondern großflächig massiv verändert habe: „Niemand kann aktuell sagen, wie es dazu kam.

Wie verändert sich der Fischbestand mit dem Klimawandel?

Ob der veränderte Auftrieb mit dem fortschreitenden Klimawandel zusammenhängt, können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bisher nur vermuten. Und auch ob wir uns darauf verlassen können, dass die Auftriebsgebiete so produktiv bleiben und die Fischerei mit dem Klimawandel weiterhin die gewohnten Erträge aus dem Meer erzielen kann, ist unklar. Zwei Prozesse könnten gegenläufig wirken, erklärt Riebesell: „Wenn der Ozean wärmer wird, wird die Durchmischung zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser geringer, was dazu führt, dass die Ozeane weniger produktiv werden. Dem gegenüber steht die Prognose, dass sich die Winde global verstärken, was zu mehr Auftrieb vor den Küsten führen würde – und der wirkt sich positiv auf den Fischbestand aus. „Welcher Effekt da überwiegt, wissen wir noch nicht. Auch wenn die genauen Zusammenhänge noch nicht erforscht sind, ist sich Riebesell sicher: Der Klimawandel betrifft nicht nur die Lebensgemeinschaften im Meer, sondern er wird auch enorme wirtschaftliche Auswirkungen haben.

Praxisnahe Ausbildung der nächsten Meeresforscher-Generation

Trotz der anstrengenden und arbeitsreichen Wochen für die Forscherinnen und Forscher an Bord berichtet Holger Auel von der MARIA S. MERIAN: „Ich habe selten eine Expedition erlebt, bei der so intensiv gearbeitet wurde und bei der Stimmung und Atmosphäre an Bord so harmonisch waren. Er freut sich besonders darüber, dass an der Fahrt Promovierende und Master-Studierende teilnehmen, die mit „hoffentlich exzellenten Abschlussarbeiten zum Erfolg des Forschungsprojekts beitragen.

Das Forschungsprogramm MARE:N
Die Bundesregierung fördert die Meeresforschung mit ihrem Forschungsprogramm „MARE:N – Küsten-, Meeres- und Polarforschung für Nachhaltigkeit. Mit den MARE:N-Agendaprozessen beschreitet das Bundesforschungsministerium neue Wege für die Zukunft der deutschen Meeresforschung: In den eng verzahnten Partizipationsprozessen „Küste im Wandel und „Blauer Ozean entwickelt die Wissenschaft mit allen beteiligten Akteuren zukunftsrelevante Forschungsthemen für künftige Ausschreibungen in der Küsten- und Meeresforschung. Im Januar 2019 übergab die Wissenschaft die Ergebnisse an das Bundesministerium für Bildung und Forschung