Evolutionäre Dynamik eozäner Knorpelfische der Antarktis

Das hier beantragte Projekt hat zum Ziel, den Effekt von kurz- und langfristigen klimatischen und paläogeographischen Veränderungen auf die Lebewelt der Antarktis zu untersuchen und zu dokumentieren. Der Fokus liegt hierbei auf der taxonomischen Zusammensetzung und den Diversitätsmustern eozäner Knorpelfische (Holocephali, Elasmobranchii) als Modellorganismen für Wirbeltierevolution in hohen Breiten. Das Material, das die Basis dieses Projektes darstellt umfasst über 3500 Reste (Zahnplatten, Zähne, Placoidschuppen, Flossenstachel) und wurde im Rahmen einer argentinisch-schwedischen Kooperation in den Jahren 2011 2013 in eozänen Ablagerungen (Ypresium Priabonium) auf Seymour Island im Weddell-Meer gesammelt. Dies ist die bisher umfangreichste Sammlung eozäener Knorpelfischen der Antarktis und erlaubt erstmals den Einsatz strikter analytischer Methoden, um unterschiedliche Aspekte ihrer evolutionären Geschichte in Abhängigkeit abiotischer Faktoren (z.B. Klimaveränderungen, plattentektonischen Konstellationen) zu analysieren und bestehende Hypothesen (Diversitätszunahme zum mittleren Eozän, Fehlen von Knorpelfischen im obersten Eozän im Zusammenhang mit der thermsichen Isolation der Antarktis) zu testen. Die zu erwartenden Ergebnisse werden aber nicht nur ein besseres Verständnis adaptiver und evolutionärer Muster eozäner Knorpelfische in hohen Breiten ermöglichen sondern auch Hinweise auf den Ursprung der heutigen antarktischen Fischfauna erlauben, zumindest was das heutige Fehlen von Chimären und Haien anbelangt. Während des ersten Teils dieses Projektes werden die taxonomische Zusammensetzung und die faunistischen Beziehungen der Knorpelfischassoziationen des Eozäns der Antarktis im regionalen und globalen Kontext analysiert. Im zweiten Teil werden Diversitäts- und Diversifizierungsmuster unter Verwendung qualitativer und quantitativer analytischer Methoden dieser Assoziationen untersucht. Hierfür werden verschiedene gebräuchliche Messgrößen (z.B. "standing diversity",Artenanzahl, Eveness, Anzahl der Lazarus-, Holdover- und Carryover-Taxa, Diversifizierungs-, Entstehungs-, Aussterbe- und Turnover-Raten) und Biodiversitätsindizes (z.B. "rarefied diversity", Simpson`s D, Shannon-Wiener H, Margalef) analysiert sowie subsampling und neue, sogenannte "shareholder quorum"- Methoden verwendet. Basierend auf den Ergebnissen sowie detaillierter morphologischer Analysen (Morphospace, Zahn-/Körpergrößenverhältnis) werden letztendlich die ökologischen Anpassungen und mögliche Aufzuchtgebiete, die auf standorttreue Taxa hinweisen, der eozänen Knorpelfische rekonstruiert. Alle Ergebnisse werden mit abiotischen Faktoren korreliert (Klima- und Umweltveränderungen, paläogeographischen Konstellationen), um generalisierte Evolutionsmodelle für marine Wirbeltiere in hohen Breiten zu erstellen sowie extrinsische Faktoren für adaptive Speziationsereignisse zu identifizieren.

Es ist allgemein anerkannt, dass abiotische Faktoren wie der globale Klimawandel, Meeresspiegelschwankungen und geografische Veränderungen sich auf die artliche Vielfalt von marinen Fischen auswirken. Das Ausmaß dieser Umweltveränderungen ist jedoch immer noch unzureichend verstanden. Die wenigen verfügbaren Studien bezüglich mariner Fische deuten darauf hin, dass der globale Klimawandel zu geographischen Faunenverschiebungen oder Abwanderung in tiefere Wasserschichten führt. Diese Verschiebungen resultieren ultimativ in lokalen Aussterbeereignissen oder Invasion neuer Arten. Der Einfluss von Klimaveränderungen auf die Entstehung neuer Arten ist aber vollkommen ungeklärt. Um die Auswirkungen dieser abiotischen Faktoren auf die Diversität und Artenentstehung von Meeresfischen zu untersuchen, analysierten wir neue und reichlich vorhandene fossile Überreste von Knorpelfischen (Haie, Rochen, Chimären) aus der Antarktis. Die Antarktis ist einer der isoliertesten und kältesten Orte der Welt und ihr kommt eine Schlüsselrolle beim Verständnis sowohl von geologischen Prozessen als auch der Auswirkung globaler Klimaveränderungen zu, weil dieser Kontinent seine paläogeographische Position über lange Perioden der Erdgeschichte mehr oder weniger unverändert beibehielt und die größte Anzahl fossiler Reste von Meeresfossilien aus einer der global bedeutendsten Epochen, dem Eozän vor 56 - 33 Millionen Jahren bewahrt hat. In dieser Zeit kam es zu bedeutenden klimatischen Veränderungen die in extremen Treibhauseffekten resultierten. Am Ende des Eozäns entstand jedoch ein Eishausklima und die Vergletscherung der Antarktis begann. Neues Material aus diesem wichtigen Zeitintervall der Antarktis ermöglichte es, diverse Knorpelfischfaunen zu identifizieren, die alle wichtigen klimatischen und paläogeographischen Episoden des Eozäns abdecken. Mit Hilfe einer umfangreichen Datenbank und statistischer Methoden wurden Diversitäts-, Aussterbe- und Entstehungsraten während des Eozäns analysiert und die Ergebnisse mit abiotischen Faktoren korreliert, um so Ursachen von Diversitätsschwankungen zu identifizieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Diversität von Knorpelfischen mit globalen klimatischen aber nicht mit paläogeographischen oder Lebensraumveränderungen und nur untergeordnet mit Meeresspiegelschwankungen korrelieren. Die höchsten Diversitäts- und Entstehungsraten finden sich in Zeiten signifikant erhöhter globaler Temperaturen. Die Zunahme der globalen Temperaturen führte jedoch auch zu lokalem Verschwinden von Arten, die an kühle Wassertemperaturen angepasst waren. Unsere Ergebnisse weisen daher darauf hin, dass steigende globale Temperaturen langfristig zu erhöhter Artenentstehung aber auch hohen Endemismen führen, während sinkende Temperaturen lokales und regionales Aussterben und räumliche Verschiebungen verursachen. Die Ergebnisse dieser Studie tragen so dazu bei, zukünftige Vorhersagen über die Artenvielfalt von Knorpelfischen im Zusammenhang mit ansteigenden Meeresoberflächentemperaturen zu treffen und können so zur Information der Politik beitragen.