Teil B

Korallenriffe zählen zu den artenreichsten und gefährdetsten Lebensräumen der Welt. Zur Erhaltung dieser Lebensräume wird der Ansatz der assistierten Evolution weltweit kontrovers diskutiert.

Charakterisiere die Beziehung zwischen Korallenpolypen und Zooxanthellen.

Erläutere das Ausbleichen von Korallen.

Diskutiere den Ansatz der assistierten Evolution zum Erhalt von Korallenriffen.

Beziehe in deiner Darstellung alle nachfolgenden Materialien ein.

20 BE

Material 1

Korallen bestehen aus vielen Korallenpolypen. Ihre Körper sitzen auf einem nach außen abgeschiedenen Kalkgerüst und bestehen aus zwei Zellschichten (Ento- und Ektoderm). Korallenpolypen ernähren sich von Kleinstlebewesen. In nährstoffarmen Lebensräumen können die Polypen bestimmter Korallen, einzellige Algen ins Entoderm aufnehmen und wieder abgeben. Die beherbergten Algen bezeichnet man als Zooxanthellen. Diese werden von den Polypen nicht verdaut, sichern bis zu 90 % ihres Nährstoffbedarfs und färben die Korallen.

Bau eines Korallenpolypen

Material 2

Vereinfachtes Schema zum Stoffwechsel einer Korallenpolypzelle

Material 3

Schematische Darstellung von Zuständen einer Koralle bei sich ändernden Umweltbedingungen

(Prozesse A und B- reversibel, Prozess C - irreversibel)

Material 4

Schema zur Abstoßung von Zooxanthellen aus Korallenpolypzellen

Material 5

Nach Angaben des Meeresökologen Christian Wild bedroht die Geschwindigkeit der Umweltveränderungen Korallenriffe in ihrer Existenz. Daher gibt es weltweit Bestrebungen, hitzetolerante Korallen zu identifizieren, um diese in der Korallenzucht und beim Wiederaufbau abgestorbener Korallenriffe zu nutzen. Diese Art menschlicher Eingriffe in Evolutionsprozesse sind Beispiele einer assistierten Evolution. Ziel ist, Populationen und Ökosysteme bei der Anpassung an klimabedingte Umweltveränderungen zu unterstützen.

Nach. http://scinexx.de (12.12.2024)

Nach: https://www.deutschlandfunk.de/ (30.07.2024)

„Die Idee, gefährdete Arten dadurch zu erhalten, dass man sie in Gefangenschaft oder im Labor züchtet und dann in natürlichen Ökosystemen freilässt, ist schon mehr als 100 Jahre alt. [...] Die Überlegungen gehen noch einen Schritt weiter: Es können nicht nur natürliche Arten künstlich vermehrt oder wiederhergestellt, sondern auch ,verbessert‘, also durch Zucht oder Gentechnik gezielt verändert werden. Bei Riffkorallen soll zum Beispiel versucht werden, die [...] Zooxanthellen gentechnisch so zu verändern, dass sie auch bei höheren Meerestemperaturen funktionsfähig bleiben und dadurch Korallenbleiche vermieden werden können.“

https://www.wilfried-probst.de/tag/umweltschutz (30.07.2024)

Material 6

Ein Forscherteam hat das Akklimatisierungspotenzial der Koralle Acropora millepora untersucht. Dazu wurden Korallen vom Riff Keppel Island in die Bucht Magnetic Island umgesetzt. Je nach Verbreitungsgebiet der Korallen unterschied sich die Zusammensetzung ihrer Algenarten (Zooxanthellen). Nach einigen Monaten wurden Proben umgesetzter und natürlich vorkommender Korallen aus den Untersuchungsgebieten entnommen und in Labortanks kultiviert. Die Proben wurden 15 Tage jeweils verschiedenen Wassertemperaturen (30 °C, 31 °С und 32 °C) ausgesetzt. In dieser Zeit versorgte man die Korallen mit frischem Meerwasser und belichtete sie für jeweils 12 Stunden pro Tag. Von jeder Probe wurde die Zellzahl der Zooxanthellen bestimmt.

Lageplan der Untersuchungsgebiete mit Durchschnittstemperaturen des Oberflächenwassers (Dez. - Feb.)

Drei Balkendiagramme zur Anzahl von Zooxanthellen in Korallen bei verschiedenen Temperaturen (Magnetic, Keppel)

Messergebnisse der „Hitzestress“-Experimente

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Die symbiotische Beziehung zwischen Korallenpolypen und Zooxanthellen

Die ökologische Stabilität von Korallenriffen basiert auf einer hocheffizienten Symbiose zwischen Korallenpolypen und einzelligen Algen, den Zooxanthellen. Wie in Material 1 dargestellt, bestehen Korallen aus zahlreichen Polypen, die auf einem externen Kalkgerüst sitzen und zwei Zellschichten (Entoderm und Ektoderm) ausbilden. In nährstoffarmen Gewässern nehmen diese Polypen Zooxanthellen in ihr Entoderm auf, welche bis zu $Formula: 90 \;\%$ $Formula: 90 \;\%$ des Nährstoffbedarfs sichern.

Diese Beziehung ist ein Musterbeispiel für einen Stoffwechselkreislauf (Material 2): Die fotosynthetisch aktiven Zooxanthellen produzieren unter Nutzung von Lichtenergie Glukose $Formula: (\ce{C6H12O6})$ $Formula: (\ce{C6H12O6})$ sowie Sauerstoff $Formula: (\ce{O2})$ $Formula: (\ce{O2})$ und geben diese Stoffe an den Polypen ab. Der Korallenpolyp wiederum liefert den Algen durch seine Zellatmung in den Mitochondrien Kohlenstoffdioxid $Formula: (\ce{CO2})$ $Formula: (\ce{CO2})$ und stellt durch seinen Stoffwechsel essenzielle Mineralsalz-Ionen wie Ammonium $Formula: (\ce{NH4+})$ $Formula: (\ce{NH4+})$ und Phosphat $Formula: (\ce{PO4^{3-}})$ $Formula: (\ce{PO4^{3-}})$ bereit. Zudem unterstützt der Polyp die $Formula: \ce{CO2}$ $Formula: \ce{CO2}$ -Anreicherung über den CCM-Komplex und bietet den Algen einen geschützten Lebensraum.

Das Phänomen der Korallenbleiche und seine Ursachen

Die Korallenbleiche markiert den Zusammenbruch dieser lebensnotwendigen Partnerschaft. Laut Material 4 führen Umweltstressoren wie Änderungen des Salzgehaltes, schwankende pH-Werte, starke Sonneneinstrahlung oder steigende Wassertemperaturen zu einer massiven Störung der fotoautotrophen Assimilation der Algen. Diese Störung resultiert in der Bildung reaktiver, zellschädigender Sauerstoffverbindungen innerhalb der Zooxanthellen und eine eingeschränkte Glukose-Bereitstellung. Um eine weitere Schädigung der eigenen Zellen zu verhindern bzw., stößt der Korallenpolyp die Algen ab, was aufgrund der fehlenden Pigmentierung zum Ausbleichen führt.

Dieser Prozess ist laut Material 3 zunächst reversibel: Sinkt der Stress, können Algen wieder aufgenommen werden (Prozesse A und B). Hält die Belastung jedoch an, führt die mangelnde Nährstoffversorgung zum Absterben der Koralle und einer irreversiblen Überwucherung durch Fadenalgen (Prozess C).

Diskurs: Assistierte Evolution als Strategie zum Rifferhalt

Angesichts der rasanten Umweltveränderungen wird der Ansatz der assistierten Evolution (Material 5) als Methode diskutiert, um Korallenriffe durch gezielte menschliche Eingriffe zu stabilisieren.

Analyse des Akklimatisierungspotenzials (Material 6)

Ein Forscherteam untersuchte die Koralle Acropora millepora durch Umsetzung vom kühleren Keppel Island $Formula: (27\text{°C})$ $Formula: (27\text{°C})$ zum wärmeren Magnetic Island $Formula: (29\text{°C}).$ $Formula: (29\text{°C}).$ Die Messergebnisse der Hitzestress-Experimente verdeutlichen:

Natürlich vorkommende Korallen auf Magnetic Island zeigen eine hohe Toleranz und behalten bis $Formula: 31\text{°C}$ $Formula: 31\text{°C}$ eine stabile Anzahl an Zooxanthellen (ca. $Formula: 1,7 \times 10^6\text{ cm}^{-2}).$ $Formula: 1,7 \times 10^6\text{ cm}^{-2}).$
Korallen von Keppel Island reagieren bereits bei $Formula: 30\text{°C}$ $Formula: 30\text{°C}$ mit einem massiven Verlust der Algen.
Bemerkenswert ist, dass umgesetzte Korallen von Keppel Island nach der Akklimatisierungsphase eine deutlich höhere Hitzetoleranz aufwiesen als ihre Artgenossen am Ursprungsort, auch wenn sie nicht ganz das Niveau der heimischen Korallen von Magnetic Island erreichten. Dies belegt ein gewisses natürliches Anpassungspotenzial durch Besiedelung mit hitzetoleranteren Algenstämmen.

Bewertung der assistierten Evolution

Argumente dafür (Pro):

Unterstützung der Anpassung an die globale Erwärmung durch Zucht hitzetoleranter Arten oder den Einsatz transgener Zooxanthellen, die auch bei hohen Temperaturen funktionsfähig bleiben (Material 5).
Beschleunigung natürlicher Evolutionsprozesse, für die den Korallen angesichts des Klimawandels die Zeit fehlt.

Argumente dagegen (Contra):

Unvorhersehbare Risiken für das Ökosystem durch die Verbreitung hitzetoleranter Organismen.
Mögliche Entstehung von Monokulturen und der damit verbundene Verlust an genetischer Diversität, was die Riffe anfälliger für andere Krankheiten machen könnte.

Fazit und Ausblick

Die assistierte Evolution stellt eine kontrovers diskutierte Chance dar, die Existenz der Korallenriffe kurzfristig zu sichern. Während die Daten aus Material 6 zeigen, dass Umsiedlungen und Akklimatisierung die Widerstandsfähigkeit erhöhen können, mahnt die Selektion und Schaffung hitzeresistenter, potenterer Arten zur Vorsicht. Eine Abwägung zwischen dem dringenden Handlungsbedarf und den ökologischen Folgerisiken ist zwingend erforderlich. Letztlich kann dieser Ansatz jedoch nur eine flankierende Maßnahme zum globalen Klimaschutz sein.

Hinweis: Zur Erreichung der vollen Punktzahl müssen die aufgeführten Stichpunkte in Fließtextform diskutiert werden.

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