Anpassung an graduelle Umweltveränderung

Während die Auswirkungen von Klimawandel auf physiologische und ökologische Prozesse das Thema zahlreicher Untersuchungen waren, sind evolutionäre Prozesse im Zusammenhang mit Klimawandel weit weniger gut untersucht. Insbesondere mangelt es an Studien zu möglichen komplexen Wechselwirkungen zwischen ökologischen und evolutionären Prozessen in einer sich ändernden Umwelt. Artspezifische Unterschiede in Anpassungsraten könnten die Dynamik der gesamten Art-Gemeinschaft beeinflussen, umgekehrt könnten sich ökologische Prozesse wie Interaktionen zwischen Arten, Immigration und Emigration auf das Anpassungspotential von Arten auswirken. Die Tatsache, dass Klimawandel zu Veränderungen in mehreren Umweltfaktoren führt, macht Vorhersagen über mögliche Auswirkungen noch schwieriger, da sich Veränderungen in mehreren Stressoren interaktiv auf ökologische und evolutionäre Prozesse auswirken könnten. Die Ziele des vorgeschlagenen Projektes sind die Analyse von ökologischen und evolutionären Prozessen und deren Wechselwirkung (1) bei Veränderung von mehreren Stressoren, (2) bei Umweltveränderung in trophisch einfachen versus trophisch komplexen Gemeinschaften, und (3) bei Umweltveränderung in isolierten versus verbundenen Habitaten. Diese Fragestellungen sollen mit einer Kombination aus Modellierung, Mikrokosmen- und Mesokosmen- Experimenten untersucht werden. In einem Selektionsexperiment über hunderte von Generationen werden mehrere Algenarten bei konstanten bzw. steigenden CO2- und/oder Temperatur-Werten exponiert. Ebenso werden mehrere Ciliatenarten bei konstanter bzw. steigender Temperatur gehalten. Reziproke Transplantationsexperimente testen, ob eine mögliche Anpassung von Algen an steigende CO2-Werte durch gleichzeitige Erhöhung der Temperatur beeinflusst wird. Weiters wird getestet, ob sich Arten von verschiedenen trophischen Ebenen (Algen versus Ciliaten) in ihrer Anpassungsfähigkeit unterscheiden. Reziproke Transplantationsexperimente der gesamten Gemeinschaft werden testen, ob evolutionäre Prozesse die Dynamik der Gemeinschaft beeinflussen. Interaktive Effekte von Umweltveränderung und Habitatkonnektivität auf ökologische und evolutionäre Prozesse werden sowohl in einem Mikrokosmenexperiment als auch in einem Mesokosmenexperiment untersucht. Der Effekt von steigender Temperatur (Mikrokosmenexperiment) bzw. abnehmendem pH-Wert (Mesokosmenexperiment) wird in isolierten bzw. verbundenen Habitaten verglichen. In einem theoretischen Ansatz werden die drei Fragestellungen in einem Modell verknüpft. Zunächst werden Evolution und Umweltveränderung in ein Metagemeinschaftsmodell integriert. Entlang eines Konnektivitäts-Gradienten wird die relative Bedeutung von lokaler Anpassung im Vergleich zu Wanderungsprozessen untersucht. Dann werden ein zweiter Stressor sowie eine zweite trophische Ebene in das Modell integriert. Der anschließende Vergleich von Modellergebnissen mit experimentellen Ergebnissen dient dazu, einen Einblick in mögliche Mechanismen hinter den beobachteten Mustern zu erlangen.

Viele Ökosysteme sind derzeit raschen Veränderungen der Umweltbedingungen ausgesetzt. Klimawandel, Eintrag von Nährstoffen und Schadstoffen, sowie Veränderung der Landnutzung gefährden die Vielfalt an Arten. Organismen haben zwei Möglichkeiten, um dem Aussterben durch Umweltveränderung zu entgehen: Anpassung an die neuen Bedingungen oder Auswanderung in günstigere Lebensräume. In einer Reihe von Experimenten mit Mikroalgen wurde in diesem Projekt getestet, ob sich Organismen an zunehmend ungünstige Umweltbedingungen anpassen können und ob Wanderung zwischen Lebensräumen die negativen Auswirkungen von Umweltveränderung abschwächen kann. In einem Experiment mit steigendem Salzstress konnten sich jene Arten, die von Umweltveränderung an den Rand des Aussterbens gebracht wurden, tatsächlich an die veränderten Umweltbedingungen anpassen. Jedoch führte Anpassung zwar zum Überleben bei ungünstigen Bedingungen in Einzelkultur, nicht unbedingt jedoch zu erhöhter Überlebenschance innerhalb einer Gemeinschaft von mehreren Arten. In einem weiteren Experiment wurden Gemeinschaften von Mikroalgen Erwärmung ausgesetzt. Weder Wanderung zwischen Lebensräumen noch eine langsamere Erwärmung konnte den negativen Effekt von Temperaturerhöhung auf Artenvielfalt abschwächen. Interessanterweise waren auch wärmeliebende Arten gefährdet. Diese Arten wuchsen in Einzelkultur bei höheren Temperaturen besser als bei niedrigen, starben jedoch innerhalb einer Gemeinschaft von mehreren Arten bei höheren Temperaturen aus. Offenbar war erhöhte Konkurrenz zwischen den Arten der Grund für das Aussterben und nicht mangelnde Temperaturtoleranz. Um das Zusammenspiel von Umweltveränderung und Wanderung in komplexeren Gemeinschaften zu testen, wurde ein Experiment mit wasserlebenden Gemeinschaften in Regentonnen durchgeführt. Umweltveränderung und Zuwanderung beeinflussten die Artenzusammensetzung von Algen, Bakterien und Kleinkrebsen. Zuwanderung konnte den negativen Effekt von Umweltveränderung auf die Biomasse der Algen abschwächen, während der negative Effekt auf die Artenvielfalt der Kleinkrebse nicht verringert wurde. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass Wechselbeziehungen zwischen Arten sowohl evolutionäre als auch kurzfristige Reaktionen von Arten auf Umweltveränderung stark beeinflussen. Für eine korrekte Vorhersage der Auswirkung des globalen Wandels auf die Vielfalt an Arten ist es daher unerlässlich, Wechselwirkungen zwischen Arten zu berücksichtigen. Weiters zeigte sich, dass Wanderung zwischen Lebensräumen in einer sich ändernden Umwelt von entscheidender Bedeutung sein kann. Die Verringerung von Wanderungsmöglichkeiten durch die Landnutzung des Menschen könnte die negativen Auswirkungen des globalen Wandels daher noch verstärken.