pH Regulierung in Korallen: ein Schlüssel-Mechanismus?

Kalzifizierende Organismen (insbesondere Korallen) bilden das Rückgrat tropischer Riffe, indem sie einen massiven, stark strukturierten Lebensraum formen. In der jüngsten Zeit wurden jedoch Veränderungen der Ozeane beobachtet, welche bereits als Folgen des Klimawandels betrachtet werden. Die Projektion dieser Veränderungen in die Zukunft deutet darauf hin, dass die Meere wärmer und saurer werden. Ein erhöhter Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre führt zu einer Verschiebung des Kohlensäure-Gleichgewichts in Richtung niedriger pH-Werte, bekannt als Ozeanversauerung. Diese Versauerung betrifft kalzifizierende Organismen in besonderem Maße, da sie den Aufbau von Kalkskeletten erschwert. Für viele Organismen wurde jedoch festgestellt, dass sie die Fähigkeit besitzen, lokal den pH zu puffern. Indem sie aktiv Protonen entfernen, schaffen sie lokale Bedingungen, welche die Kalzifizierung fördern. Dieser Prozess könnte sich als Schlüssel-Mechanismus herausstellen, der Korallenwachstum auch im Ozean der Zukunft aufrecht erhalten kann. Nur wenige Studien haben bisher den pH direkt am Ort der Kalzifizierung gemessen. Die meisten Hinweise zur pH-Pufferung stammen von indirekten Beobachtungen. Beispielsweise nutzt man Bor- Isotopenverhältnisse von Karbonaten als pH-Indikator, ein Verfahren, das in der Paläozeanographie zur pH-Rekonstruktion des Meerwasser eingesetzt wird. Bor-Isotope in Korallen liefern prinzipiell erhöhte Werte bezogen auf das Borat des Wassers, gleichbedeutend mit einem konstanten Versatz zum Meerwasser-pH. Räumlich hochauflösenden Methoden zeigen neuerdings jedoch komplexere Resultate für Korallen-Skelette, und zwar hohe Variabilität in den Bor-Isotopen auf kürzeren Wachstumsphasen, welche weiterführende Studien dringend erfordern. Untersuchungen zu den Auswirkungen der Ozeanversauerung auf kalzifizierende Organismen zeichnen ein differenziertes Bild in dem sich bereits potenzielle Gewinner und Verlierer herauskristallisieren. Verschiedene physiologische Prozesse (Photosynthese der Korallensymbionten, Zellatmung) beeinflussen die pH-Werte im Inneren der Korallen und könnten somit verantwortlich für die beobachteten Variabilitäten in den Bor-Isotopen sein. Folgende Fragestellungen sollen im Zuge dieser Studie behandelt werde: a) Entscheidet die art-spezifische Stärke der pH-Pufferung am Ort der Kalzifizierung, ob eine Korallenart Gewinner oder Verlierer der Ozeanversauerung sein wird? und b) Bilden die Bor-Isotope direkt den bei der Kalzifizierung herrschenden pH ab? Vulkanische CO2-Quellen in Papua Neu Guinea erzeugen lokal schon heute Bedingungen in Riffen, die global für das Jahr 2100 erwartet werden und erlauben einen Blick auf zukünftige Riffe. Aufbauend auf Kurzzeit-Wachstumversuchen an ästigen Korallen mit unterschiedlicher pH-Sensitivität soll nun an diesen Arten die pH-Regulierung am Ort der Kalzifizierung mittels Mikro-Sensoren direkt untersucht werden. An denselben Proben soll anschließend hochauflösend die Verteilung der Bor-Isotope bestimmt werden, um letztere mit den Ergebnissen der direkten pH-Messungen zu vergleichen. Die Ergebnisse werden helfen, folgende wichtige Fragen zu Zukunft und Vergangenheit zu beantworten: Wie variabel ist der Kalzifizierungs-pH und die Stärke seiner Pufferung in unterschiedlichen Arten? Wie beeinflusst diese die Verteilung der Bor-Isotope im Korallenskelett? Sind Bor-Isotope ein zuverlässiger pH-Proxy für das Meerwasser der Vergangenheit?

Der globale Klimawandel bewirkt, dass sich die Meere verändern. Neben dem Anstieg der Temperaturen kommt es auch zu einer Erniedrigung des Meerwasser pHs, der vermutlich vor allem kalzifizierenden Organismen wie Korallen zu schaffen machen wird. Dieses Projekt beschäftigte sich mit dem Effekt von Meerwasser pH Veränderungen auf Korallen. Es wurde untersucht, ob interne pH Regulierung einen physiologischen Schlüsselmechanismus darstellt, um diese Meerwasser pH Veränderungen abzupuffern. Dabei wurde der Frage nachgegangen, inwiefern sich dieser Mechanismus in Korallen unterscheidet die aus unterschiedlichen Gebieten - tropischen und temperaten - stammen. Ein weiterer wichtiger Aspekt dabei war es zu verstehen, ob Korallen die Fähigkeit haben sich anzupassen und langfristig den pH intern zu erhöhen. Derartige Anpassungen würde Korallen erlauben einer prognostizierten Meerwasser pH-Erniedrigung von 0.2 pH Einheiten bis zum Ende diesen Jahrhunderts entgegenzuwirken. Es wurden natürliche Meerwasser pH Gradienten genutzt, um diesen Fragen nachzugehen. An diesen Standorten sind Korallen schon ihr Leben lang verändertem pH ausgesetzt und dies ermöglichte langfristige Prognosen zu ziehe. Die Analyse von Korallen aus den beiden Gebieten ergab, dass Korallen generell die Fähigkeit haben den pH intern zu erhöhen. Deren Intensität ist jedoch nicht von dem Gebiet (tropisch vs temperat) bestimmt. Viel mehr spielen eine Kombination aus Habitat und Korallenart eine Rolle. Im Vergleich zu Laborstudien - in denen Korallen nur kurzfristig (Wochen bis Monate) solchen reduzierten pH Bedingungen ausgesetzt waren zeigen Korallen entlang natürlichen pH Gradienten eine weit weniger starke Veränderung ihres internen pHs mit sinkendem Meerwasser pH. Sprich Korallen die solchen Bedingungen langfristig ausgesetzt waren, können Meerwasser pH Veränderungen besser intern puffern. An den vulkanischen CO2 Quellen in Papua Neu Guinea zeigen die Korallen unter pH Bedingungen die für das Ende des Jahrhunderts vorausgesagt wurde keine Veränderung im internen pH im Vergleich zu Korallen die unter heutigem pH Bedingungen wachsen. Zusammenfassend kann man sagen, dass langfristig Korallen sich an diese Veränderungen akklimatisieren und manche auch die Fähigkeit besitzen den Bedingungen erwartet für 2100 trotzen. Jedoch pH Veränderungen darüber hinaus machen auch diesen robusten Arten zu schaffen. In Bezug auf die prognostizierte Ozeanversauerung geben die Ergebnisse Hoffnung für einen Fortbestand von Korallen und Riffen in der Zukunft, sofern diese Klimaziele erreicht werden und es nicht zu einer stärkeren pH Veränderung kommt.