Eine neue wissenschaftliche Untersuchung zeigt, dass eine langfristige Erwärmung der Ozeane nicht zwangsläufig zu einer Verringerung der marinen biologischen Produktivität führen muss. Während einer ausgeprägten globalen Warmzeit vor rund 56 Millionen Jahren stieg die Produktivität von Fischen im offenen Ozean in mehreren Meeresregionen deutlich an. Gleichzeitig erhöhte sich der Transport organischen Kohlenstoffs aus den oberflächennahen Wasserschichten in die Tiefsee. Die Ergebnisse widersprechen der verbreiteten Annahme, dass steigende Meerestemperaturen grundsätzlich eine Abnahme der biologischen Produktivität verursachen. Allerdings betonen die Forscher, dass sich die langfristigen Entwicklungen der Erdgeschichte nicht unmittelbar auf die gegenwärtige Erwärmung übertragen lassen.
Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie wurde von einer internationalen Forschergruppe unter Leitung von Xiuwen Zhou von der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China, durchgeführt. Die Wissenschaftler untersuchten Veränderungen der Fischproduktivität und des marinen Kohlenstoffkreislaufs während des Paläozän-Eozän-Temperaturmaximums (PETM), eines der bedeutendsten natürlichen Erwärmungsereignisse der jüngeren Erdgeschichte.
Eine ausgeprägte Warmzeit vor 55,9 Millionen Jahren
Das Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum ereignete sich vor etwa 55,9 Millionen Jahren. Damals gelangten innerhalb weniger Jahrtausende große Mengen an Treibhausgasen, insbesondere Kohlendioxid und Methan, in die Atmosphäre. Als eine wahrscheinliche Ursache gelten umfangreiche vulkanische Aktivitäten im Nordatlantik, die mit der Entstehung der Nordatlantischen Magmenprovinz in Verbindung stehen. Die genauen Auslöser dieser Warmzeit sind allerdings weiterhin Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen.
Schätzungen zufolge wurden während der Anfangsphase des PETM zwischen 3.000 und 10.000 Milliarden Tonnen Kohlenstoff freigesetzt. Dadurch stiegen die globalen Lufttemperaturen um etwa 5 bis 6 °C. Die Temperaturen der offenen Ozeane erhöhten sich um ungefähr 5 °C, wobei erhebliche Unterschiede zwischen verschiedenen Breitengraden und Wassertiefen bestanden. Die ausgeprägte Warmphase dauerte ungefähr 100.000 Jahre.
Das PETM wird häufig als geologisches Vergleichsbeispiel für die heutige globale Erwärmung herangezogen. Allerdings verlief die damalige Freisetzung von Kohlenstoff wesentlich langsamer als die gegenwärtigen anthropogenen Emissionen. Die mittlere Kohlenstofffreisetzungsrate lag während des PETM ungefähr eine Größenordnung unter dem heutigen Wert. Auch die gegenwärtige Erwärmung erfolgt nach den im Artikel genannten Vergleichen etwa hundertmal schneller als die durchschnittliche Erwärmung während des gesamten PETM.
Fossile Fischzähne als Indikatoren der biologischen Produktivität
Um die Entwicklung der damaligen Fischbestände zu rekonstruieren, untersuchten die Forscher Sedimentkerne von sechs Standorten in unterschiedlichen Ozeanbecken. Im Mittelpunkt standen mikroskopisch kleine fossile Überreste von Fischen, insbesondere Fischzähne und sogenannte Dermaldentikel. Letztere sind kleine, zahnähnliche Hautstrukturen, die unter anderem bei Haien und Rochen vorkommen.
Diese fossilen Überreste werden als Ichthyolithen bezeichnet. Sie gelangen durch den natürlichen Zahnwechsel oder über unverdauliche Nahrungsreste auf den Meeresboden und können dort über Millionen Jahre erhalten bleiben.
Die Wissenschaftler bestimmten die Anreicherungsrate dieser Partikel in den Sedimenten. Diese sogenannte Ichthyolithen-Akkumulationsrate dient als indirekter Indikator für die Produktivität pelagischer Fischpopulationen, also von Fischen, die im offenen Meer leben. Eine erhöhte Akkumulationsrate kann darauf hindeuten, dass mehr Fischbiomasse gebildet wurde oder dass der Energietransfer innerhalb der marinen Nahrungskette effizienter funktionierte.
Ergänzend analysierten die Forscher die Verteilung von marinem Baryt (Bariumsulfat, BaSO₄) in den Sedimenten. Dieses Mineral entsteht im Zusammenhang mit dem mikrobiellen Abbau organischer Substanz innerhalb der Wassersäule. Seine Anreicherung kann deshalb als indirekter Hinweis auf den Transport organischen Materials aus oberflächennahen Wasserschichten in größere Tiefen dienen.
Durch die Kombination beider Indikatoren konnten die Wissenschaftler untersuchen, wie Veränderungen der Fischproduktivität mit dem marinen Kohlenstoffexport zusammenhingen.
Bis zu elfmal höhere Werte der Fischproduktivität
Die Auswertung ergab erhebliche regionale Unterschiede. Besonders auffällige Veränderungen wurden im nördlichen Pazifik und im Nordatlantik festgestellt.
An mehreren Untersuchungsstandorten stiegen die Akkumulationsraten fossiler Fischüberreste während des PETM deutlich an. Teilweise erreichten die Spitzenwerte das Fünf- bis Elffache des zuvor üblichen Hintergrundniveaus. Die höchsten gemessenen Akkumulationsraten lagen bei etwa 150 Ichthyolithen pro Quadratzentimeter und tausend Jahre.
Interessanterweise traten in einigen Regionen zwei ausgeprägte Phasen erhöhter Akkumulationsraten auf. Die erste fiel mit dem Beginn der ungewöhnlichen Kohlenstoffanreicherung beziehungsweise der Erwärmungsphase zusammen. Eine zweite Phase folgte etwa 50.000 Jahre später.
Während die Veränderungen im Nordpazifik und Nordatlantik besonders stark ausfielen, wurden im Südatlantik und im südöstlichen Indischen Ozean deutlich geringere Zunahmen festgestellt. Die Reaktion der marinen Ökosysteme auf die globale Erwärmung war somit keineswegs überall gleich.
Die Forscher weisen darauf hin, dass die höheren Akkumulationsraten nicht ausschließlich durch eine größere Anzahl von Fischen erklärt werden müssen. Auch eine verbesserte Übertragung von Energie und Biomasse zwischen den verschiedenen Stufen der Nahrungskette könnte dazu beigetragen haben. Dennoch sprechen die Daten für eine erhebliche Zunahme der biologischen Produktivität in mehreren Regionen des offenen Ozeans.
Verstärkter Kohlenstoffexport als entscheidender Faktor
Ein wesentlicher Bestandteil der Studie war die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Fischproduktivität und dem Transport organischen Kohlenstoffs in die Tiefsee.
In den oberen Wasserschichten nehmen Phytoplankton und andere photosynthetisch aktive Organismen Kohlendioxid auf und wandeln es mithilfe von Sonnenlicht in organische Substanz um. Ein Teil dieser Biomasse wird innerhalb der Nahrungskette weitergegeben, während ein anderer Teil als abgestorbenes organisches Material oder in Form von Ausscheidungen absinkt.
Dieser Prozess wird als biologische Kohlenstoffpumpe bezeichnet. Er transportiert Kohlenstoff aus den oberflächennahen Wasserschichten in tiefere Meeresbereiche und kann damit zur längerfristigen Speicherung von Kohlenstoff im Ozean beitragen.
Um die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen, verwendeten die Wissenschaftler das Erdsystemmodell cGENIE. Dieses Modell simuliert unter anderem Wechselwirkungen zwischen Ozeanzirkulation, Nährstoffen, Kohlenstoffkreislauf, Atmosphäre und Sedimenten.
Die Modellrechnungen ergaben, dass die erhöhte Fischproduktivität räumlich und zeitlich eng mit einem verstärkten Export organischen Kohlenstoffs in tiefere Wasserschichten verbunden war. Regionen mit einer besonders starken Zunahme des Kohlenstoffexports zeigten häufig auch besonders hohe Werte der Fischproduktivität.
Nach Interpretation der Wissenschaftler wurde die Zunahme der Fischproduktivität wesentlich durch die verstärkte Bereitstellung organischer Substanz und die damit verbundenen Veränderungen der Nährstoffkreisläufe begünstigt.
Warum eine stärkere Erwärmung nicht zwangsläufig die Produktivität verringerte
Üblicherweise wird erwartet, dass eine Erwärmung der Meeresoberfläche die vertikale Durchmischung des Ozeans abschwächt. Warmes Wasser besitzt eine geringere Dichte als kaltes Wasser und bildet deshalb häufig eine stabilere oberflächennahe Schicht.
Diese verstärkte Schichtung erschwert den Austausch zwischen oberflächennahen und tieferen Wassermassen. Dadurch können weniger Nährstoffe aus der Tiefe in die lichtdurchfluteten oberen Wasserschichten gelangen, in denen das Phytoplankton wächst.
Eine verringerte Nährstoffversorgung kann die Primärproduktion des Phytoplanktons reduzieren und damit langfristig auch die Nahrungsgrundlage für höhere Stufen der marinen Nahrungskette beeinträchtigen.
Die Ergebnisse der neuen Untersuchung zeigen jedoch, dass dieser Mechanismus nicht unter allen Bedingungen dominieren muss. Während des PETM scheinen andere Prozesse die produktivitätsmindernde Wirkung der verstärkten Wasserschichtung in mehreren Ozeanregionen überkompensiert zu haben. Insbesondere eine erhöhte Verfügbarkeit von Nährstoffen und ein verstärkter Export organischer Substanz könnten dazu beigetragen haben, die marine Nahrungskette insgesamt produktiver zu machen.
Die Studie legt somit nahe, dass die biologische Reaktion der Ozeane auf eine langfristige Erwärmung von mehreren miteinander verbundenen Prozessen abhängt. Neben Temperatur und Wasserschichtung spielen die Nährstoffversorgung, biogeochemische Kreisläufe und die Effizienz der Nahrungsnetze eine entscheidende Rolle.
Unterschiede zwischen geologischen Zeiträumen und heutigen Entwicklungen
Die Forscher betonen ausdrücklich, dass die damalige Zunahme der Fischproduktivität nicht als Vorhersage für die kommenden Jahrzehnte oder Jahrhunderte verstanden werden darf. Die heutigen Ozeane sind neben der Erwärmung zahlreichen weiteren Belastungen ausgesetzt. Dazu gehören insbesondere die intensive Fischerei, die Versauerung des Meerwassers, Veränderungen der Sauerstoffverteilung und Eingriffe in marine Ökosysteme.
Hinzu kommt, dass sich das PETM über sehr lange geologische Zeiträume entwickelte. Die beobachteten Veränderungen der marinen Nahrungsketten erfolgten über Jahrtausende bis Zehntausende von Jahren. Damit standen den damaligen Ökosystemen wesentlich längere Zeiträume für Veränderungen und Anpassungsprozesse zur Verfügung als bei der heutigen raschen Erwärmung.
Moderne Beobachtungen zeigen in verschiedenen Meeresgebieten bereits eine Abnahme der biologischen Produktivität beziehungsweise der Fischbiomasse. Besonders in tropischen Regionen des offenen Ozeans wurden während der vergangenen Jahrzehnte rückläufige Entwicklungen festgestellt. Allerdings sind diese Veränderungen nicht allein auf klimatische Faktoren zurückzuführen.
Die neue Studie stellt diese Beobachtungen nicht infrage. Sie verdeutlicht vielmehr, dass kurzfristige und langfristige Reaktionen mariner Ökosysteme auf erhöhte Treibhausgaskonzentrationen erheblich voneinander abweichen können.
Fazit: Langfristige Erwärmung kann komplexe biologische Reaktionen auslösen
Die Untersuchung liefert neue Erkenntnisse über die Reaktion mariner Ökosysteme auf ausgeprägte natürliche Klimaveränderungen. Während des Paläozän-Eozän-Temperaturmaximums führte die starke Erwärmung der Ozeane offenbar nicht zu einer generellen Verringerung der Fischproduktivität. Vielmehr kam es in mehreren Regionen zu einem erheblichen Anstieg der biologischen Produktion und gleichzeitig zu einem verstärkten Transport organischen Kohlenstoffs in tiefere Wasserschichten.
Besonders bemerkenswert ist, dass die beobachtete Zunahme der Fischproduktivität trotz einer vermutlich stärkeren thermischen Schichtung der Ozeane stattfand. Dies deutet darauf hin, dass Veränderungen der Nährstoffkreisläufe und des Kohlenstoffexports die negativen Auswirkungen einer eingeschränkten vertikalen Durchmischung unter bestimmten Bedingungen übertreffen können.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Zusammenhang zwischen globaler Erwärmung und mariner Produktivität komplexer ist, als häufig angenommen wird. Höhere Meerestemperaturen führen nicht zwangsläufig überall und zu jeder Zeit zu einer geringeren biologischen Produktivität.
Gleichzeitig lassen sich aus den geologischen Befunden keine unmittelbaren Rückschlüsse auf eine mögliche Erholung heutiger Fischbestände ziehen. Die Geschwindigkeit des gegenwärtigen Klimawandels und zusätzliche menschliche Einflüsse unterscheiden sich erheblich von den Bedingungen vor rund 56 Millionen Jahren.
Die Studie unterstreicht damit die Bedeutung langfristiger geologischer Klimaarchive für das Verständnis natürlicher Rückkopplungsmechanismen im Erdsystem. Sie zeigt insbesondere, dass die langfristige Entwicklung mariner Ökosysteme unter anhaltend warmen Klimabedingungen grundlegend anders verlaufen kann als die derzeit beobachteten kurzfristigen Veränderungen.
Quelle: https://phys.org/news/2026-10-ancient-oceans-carbon-export-fish.html