Inselleben im Zeitraffer

Wissenschaftler(innen) lassen vor der Insel Spiekeroog mitten im Watt künstliche Miniatur-Inseln entstehen.

Die Biologin Salome Gonçalves von der Universität Göttingen fängt mit einem Kescher Kleinstlebewesen. Ihr Thema: komplexe Räuber-Beute-Beziehungen. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Die Biologin Salome Gonçalves von der Universität Göttingen fängt mit einem Kescher Kleinstlebewesen. Ihr Thema: komplexe Räuber-Beute-Beziehungen. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Inseln spielen eine entscheidende Rolle für die Biodiversität: Sie umfassen nur fünf Prozent der Landfläche, auf ihnen leben aber allein etwa 25 Prozent aller Pflanzen und annähernd so viele Tierarten. Welche Arten konnten und können sich hier etablieren und warum? Was geschieht, wenn plötzlich eine neue Art eindringt? Um dieses Werden und Vergehen quasi im Zeitraffer zu beobachten, ist 2015 vor der Küste Spiekeroogs ein weltweit einmaliges, spektakuläres Experiment angelaufen. Es soll helfen, Evolution in ihren Grundzügen zu verstehen. Schritt für Schritt wächst dort ein einzigartiges Freiluftlabor heran – ein sich im Zeitraffer erhebendes Inselsystem. Dutzende Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen einschließlich Studierender sind daran beteiligt.


Die insgesamt zwölf künstlich geschaffenen Miniatur-Inseln im niedersächsischen Wattenmeer. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Die insgesamt zwölf künstlich geschaffenen Miniatur-Inseln im niedersächsischen Wattenmeer. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Sie liegen beinahe da wie vom Himmel gefallen: ein Dutzend große Metallkäfige aus schwerem Schiffsstahl. Wie gestrandete Raumschiffe scheinen sie sich ins Watt gegraben zu haben; je nach Licht und Sonneneinfall glänzen sie oder wirken düster, abweisend. Auf den ersten Blick ist nicht zu erkennen, worum es sich handelt – und das wundert wenig. Schließlich sind es künstlich geschaffene Objekte, die das Auge als fremd wahrnimmt: hier, in der Nordsee, ein paar Hundert Meter vor der Insel Spiekeroog gelegen. 

Die von Menschenhand geschaffenen Mini- Inseln sind Kern eines Experiments, das weltweit einmalig ist und nicht nur deshalb spektakulär. Es soll helfen, Evolution in ihren Grundzügen zu verstehen. Forscherinnen und Forscher der Universitäten Oldenburg und Göttingen haben in den vergangenen beiden Jahren die kleinen Eilande aus sedimentgefüllten Stahlkörben gebaut, und so wächst vor der ostfriesischen Insel allmählich Schritt für Schritt ein einzigartiges Freiluftlabor heran – ein sich im Zeitraffer erhebendes Inselsystem. "Wir haben den ganzen Entstehungsprozess eines Archipels im Watt auf einen Schlag abgekürzt", sagte Dr. Thorsten Balke vom Institut für Biologie und Umweltwissenschaften der Universität Oldenburg, der die operative Projektleitung hat. Und warum gerade Spiekeroog? "Die Naturbelassenheit der Insel und das Forschungszentrum Wittbülten machen Spiekeroog zu einem idealen Standort für ökologische und geomorphologische Untersuchungen", ergänzt er.


Die Wissenschaftler(innen) aus Oldenburg und Göttingen haben die künstlichen Inseln aus Metallkörben vor der Küste Spiekeroogs im Watt in etwa 300 bis 500 Metern Abstand zur Salzwiese aufgestellt. Jedes Eiland hat eine Grundfläche von zwölf Quadratm
Die Wissenschaftler(innen) aus Oldenburg und Göttingen haben die künstlichen Inseln aus Metallkörben vor der Küste Spiekeroogs im Watt in etwa 300 bis 500 Metern Abstand zur Salzwiese aufgestellt. Jedes Eiland hat eine Grundfläche von zwölf Quadratmetern und ist in drei Höhenstufen segmentiert. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Mehr als 120 Quadratmeter künstliche Insel sollen nun dokumentieren, wie aus einem zunächst marinen ein vorwiegend terrestrisches Ökosystem entsteht. Es liegt dabei auf der Hand, dass sich das Wattenmeer wie wohl kaum ein zweites Gebiet für solche Fragen und Experimente als optimaler Standort ausweist. Die besonderen Dynamiken, die dort ablaufen, das Entstehen und Vergehen kleinerer Inseln, die häufigen Störungen, denen die Lebensgemeinschaften an Pflanzen und Tieren durch Tide und Sturmfluten permanent ausgesetzt sind: All das macht die Naturräume des Wattenmeeres zu einem einzigartigen Freiluftlabor für die Biodiversitätsforschung.
Die Erkenntnisse und Ergebnisse aus der aktuellen Forschung vor Ort seien aber auch jenseits ihrer Relevanz für das Wattenmeergebiet für die Ökosystemforschung weltweit von Bedeutung, führt Balke weiter aus. Ohne Zweifel: Sie dürften helfen, die natürlichen Prozesse von Ökosystemen und die grundlegenden Bedingungen und Besonderheiten, denen die jeweils dort lebenden Arten ausgesetzt sind, besser zu verstehen. 

Bereits in den vergangenen Jahren haben die Oldenburger Wissenschaftler immer wieder mit fundierten Berichten aus zahlreichen Vorhaben der Meeresforschung national wie international auf sich aufmerksam gemacht – zum Beispiel über die "Biogeochemie des Watts". Aus dieser Zeit resultieren Vorarbeiten bis hin zu einer modernen wissenschaftlichen Infrastruktur wie etwa einer Messstation vor Spiekeroog, von der nun auch das neue "Inselbauprojekt" BEFmate (Biodiversity – Ecosystem Functioning across marine and terrestrial ecosystems) profitiert. Stiftung und Land Niedersachsen fördern das umfangreiche Kooperationsvorhaben im Rahmen des "Niedersächsischen Vorab" (über weitere im "Vorab" geförderte Großvorhaben lesen Sie im Magazin "Impulse", S. 80 ff.). 


Projektleiter Dr. Thorsten Balke von der Universität Oldenburg auf dem Weg zur Arbeit. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Projektleiter Dr. Thorsten Balke von der Universität Oldenburg auf dem Weg zur Arbeit. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Welche Pflanze ist Pionier, wenn sich ein Eiland aus dem Meer erhebt? 

Beteiligt sind an BEFmate rund zwanzig Professorinnen und Professoren mit den Ressourcen ihrer Institute der Universitäten Oldenburg und Göttingen; explizit neun Postdoktoranden und acht Doktoranden qualifizieren sich derzeit im Rahmen des Vorhabens. Eingebunden sind des Weiteren Wissenschaftler vom Forschungsinstitut Senckenberg am Meer in Wilhelmshaven, und sogar Fachkollegen vom Nationalpark Niedersächsisches Wattenmeer sind mit im Boot. Auch profitieren etliche Studierende von dem Projekt, und dieses ebenso von ihnen: Viele sind in die rund ein Dutzend Teilforschungsvorhaben integriert. Zudem hat der akademische Nachwuchs beim Bau der Inseln mitgeholfen: Zahlreiche Freiwillige schippten Sand, fertigten Sedimente, bauten Fundamente.


Die Wissenschaftler(innen) besuchen regelmäßig "ihre" Inseln. Hier ziehen (von links) die Umweltingenieurin Daniela Meier, die Meeresbiologin Joeline Ezekiel und die Meeresbiologin Jennifer Schmitt gerade Sedimentkerne zur Bestimmung von Mikroalgen. (Fo
Die Wissenschaftler(innen) besuchen regelmäßig "ihre" Inseln. Hier ziehen (von links) die Umweltingenieurin Daniela Meier, die Meeresbiologin Joeline Ezekiel und die Meeresbiologin Jennifer Schmitt gerade Sedimentkerne zur Bestimmung von Mikroalgen. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Im Detail wollen die Forscherinnen und Forscher beobachten, welche Pflanzen und Tiere sich auf den kinderzimmerkleinen Inseln nach und nach ansiedeln, wie sich die Zusammensetzung der Arten mit der Zeit ändert und welchen Einfluss das wiederum auf die sogenannten Funktionen des Ökosystems hat, zum Beispiel auf die Produktion von Biomasse oder die Kohlenstoffspeicherung.

"Bisher basierten Studien und Simulationen über den Einfluss und die Bedeutung, die sowohl die Vielfalt als auch die Zusammensetzung von Arten für Ökosystemfunktionen haben, fast immer auf konstanten Umweltbedingungen", leistet Professor Dr. Helmut Hillebrand vom Institut für Biologie und Chemie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg den großen Problemaufriss. "Doch einen solchen Zustand gibt es in der Natur nicht; gerade auf den Inseln im Wattenmeer ändern sich die Bedingungen ständig, allein schon durch Ebbe und Flut, durch Stürme und Sturmfluten", fügt der Projektkoordinator hinzu.

Vor allem an den Küsten müsse sich das Leben oft ganz neu organisieren. "Inseln sind sicher ein Extremfall, aber gerade deshalb so lehrreich und so exemplarisch", betont der Biologe. Zudem sei es wichtiger denn je, grundlegend zu verstehen, wie eine durch Klimawandel und zunehmende Zerstörung natürlicher Lebensräume massiv belastete Natur und Umwelt sich immer wieder neu organisiere. "Steigende Meeresspiegel, häufiger auftretende Wetterextreme, veränderte Artenvielfalt und Bioinvasion ergeben multiple Stressoren", sagt der Forscher. 

Aller Anfang ist schwer: Die Inselbauten der ersten Generation fegt der Wintersturm hinweg

In der Anfangsphase des Projekts mussten die Wissenschaftler dennoch Überzeugungsarbeit leisten. "Viele Leute haben uns für verrückt erklärt und prophezeit, dass unsere gebauten Eilande niemals halten werden", berichtet der Landschaftsökologe Professor Dr. Michael Kleyer von der Universität Oldenburg, der den Bau der kleinen künstlichen Welten koordiniert hat. Und in der Tat gab es Startschwierigkeiten. Eine erste "Inselversion" aus Drahtkörben, sogenannten Gabionen, die üblicherweise mit Steinen gefüllt als Hangbefestigungen dienen, wurde gleich im ersten Winter von meterhohen Wellen zerfetzt. Mittlerweile steht die zweite Variante, und sie hält – bislang. "Die Körbe haben jetzt Metallstreben in Schiffsstahlstärke", berichtet Kleyer. Schräge Bleche an den oberen Korbrändern verhindern stärkeren Wellenschlag von oben, und in den Wintern, wenn mit besonders heftigen Stürmen zu rechnen ist, schützt zusätzlich ein Dach aus durchlöchertem Plexiglas.


Die drei Ebenen der künstlichen Miniatur-Inseln (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Die drei Ebenen der künstlichen Miniatur-Inseln (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Jede Kunstinsel hat drei Ebenen, um den flachen Anstieg eines natürlichen Eilands zu simulieren. "Auf der untersten Ebene, die häufig unter Wasser steht, siedeln sich besonders robuste Pionierarten an wie zum Beispiel Queller oder Strandsode", berichtet Kleyer. Auf der mittleren Ebene hätten auch weniger überflutungstolerante Arten wie Andelgras eine Chance. Und ganz oben könnten sich Arten etablieren, die lediglich Springtiden und Sturmfluten standhalten müssten wie beispielsweise der würzige Strand-Beifuß. Sechs der zwölf Inseln wurden allerdings gleich komplett mit Pioniergewächsen bepflanzt. Die Wissenschaftler, darunter viele junge Leute, die sich über das Projekt qualifizieren, wollen so herausfinden, ob sich die nackten und bepflanzten Inseln angleichen oder unterschiedlich entwickeln.


Der robuste Queller siedelt gerne auf der untersten Insel-Ebene, die häufig unter Wasser steht. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Der robuste Queller siedelt gerne auf der untersten Insel-Ebene, die häufig unter Wasser steht. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Je nach individueller Perspektive sind es "nur" oder "immerhin" mehrere Hundert Meter, die das nächstgelegene Land, die Insel Spiekeroog, von den experimentellen Inseln entfernt ist. Mindestens diese Distanz also müssen Pflanzen und Tiere überwinden, die sich dort ansiedeln wollen. Welche Pflanze wird zuerst ihre Heimat auf der neuen Insel finden, welches Tier? Wie stehen sie in Interaktion miteinander, beeinflussen sie sich gegenseitig? Werden sie verdrängt von Pflanzen oder Tieren, die sich später auf der Insel ansiedeln? Welche Bedeutung haben sie für das neue Ökosystem? Wie viel neue Biomasse entsteht durch den Besiedlungsprozess und nicht zuletzt: Wie entwickelt sich ein neues Nahrungsnetz?


Die Wissenschaftler(innen), hier die Biologinnen Kerstin Heidemann und Salome Gonçalves von der Universität Göttingen, wandern im Sommer bei Ebbe fast täglich zu den Inseln, messen, sammeln, bestimmen und protokollieren die Pflanzen und Tiere, die sic
Die Wissenschaftler(innen), hier die Biologinnen Kerstin Heidemann und Salome Gonçalves von der Universität Göttingen, wandern im Sommer bei Ebbe fast täglich zu den Inseln, messen, sammeln, bestimmen und protokollieren die Pflanzen und Tiere, die sich dort niederlassen. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Messgeräte an den Sedimentkäfigen oder im Boden registrieren permanent Salzgehalt und Temperatur. Hier kontrolliert die Oldenburger Umweltingenieurin Daniela Meier im Boden installierte "Logger", die zum Messen des Wurzeldrucks gesetzt sind. (Foto: Chri
Messgeräte an den Sedimentkäfigen oder im Boden registrieren permanent Salzgehalt und Temperatur. Hier kontrolliert die Oldenburger Umweltingenieurin Daniela Meier im Boden installierte "Logger", die zum Messen des Wurzeldrucks gesetzt sind. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

 

Um diese Detailfragen zu beantworten, wandern die Wissenschaftler im Sommer bei Ebbe fast täglich und die restliche Zeit im Jahr zumindest mehrmals im Monat zu „ihren“ Inseln, führen Messkampagnen durch und protokollieren die Pflanzen und Tiere, die sich dort niederlassen. Und nicht nur dort, auch auf Vergleichsflächen im angrenzenden Wattenmeer und in den Salzwiesen von Spiekeroog nehmen sie Bodenproben, sammeln Pflanzen und Insekten. Im Labor bestimmen und zählen sie die Arten sowie die Biomasse im Einzelnen, und sie analysieren unter anderem den Nährstoff- und Kohlenstoffgehalt des Bodens. Weitere Daten liefern Messgeräte, die an den Sedimentkäfigen angebracht sind; sie registrieren permanent Salzgehalt und Temperatur – ob von Luft oder Wasser.


Manches, was gesammelt wird, kommt ins Labor. Dort bestimmen und zählen die Forscherinnen und Forscher Arten und analysieren die Biomasse ebenso wie den Nährstoffund Kohlenstoffgehalt des Bodens. Vor allem gilt das Interesse der Frage, welche Pflanzen u
Manches, was gesammelt wird, kommt ins Labor. Dort bestimmen und zählen die Forscherinnen und Forscher Arten und analysieren die Biomasse ebenso wie den Nährstoffund Kohlenstoffgehalt des Bodens. Vor allem gilt das Interesse der Frage, welche Pflanzen und Tiere sich auf den Eilanden nach und nach ansiedeln und wie die Zusammensetzung der Arten sich ändert. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Ein langwieriger Prozess, das ganze Vorhaben: Da machen sich die Forscher aus Oldenburg und Göttingen nichts vor. In etwa sechs Jahren, vermuten sie, wird man fundierte Antworten auf zumindest einige Fragen haben. Doch schon jetzt, nach der ersten Vegetationsperiode, tut sich etwas. "Auf den ursprünglich nackten Inseln sind erste Pflanzen angekommen, und die Zusammensetzung der Arten auf den bepflanzten Inseln hat sich bereits geändert", berichtet Hillebrand, der sich freut, dass schon nach kurzer Zeit einiges an Daten ausgewertet werden kann. 

Die Nordsee an den Schreibtisch holen: Ohne Computermodellierungen geht’s nicht

Wenngleich die Oldenburger Kollegen sich über die Jahre einen exzellenten Ruf in der Meeresforschung erworben haben, sind Göttinger Wissenschaftler zu gleichen Teilen in dem Projekt engagiert. Zum Beispiel Professor Ulrich Brose.  Der Ökologe wechselte allerdings kürzlich von der Universität Göttingen an die Universität Jena, wo er den Lehrstuhl für Biodiversitätstheorie übernahm. Ihm weht nur selten der Nordseewind um die Nase: Sein Team entwickelt Computermodelle, die den Einfluss der Artenvielfalt auf die Ökosystemfunktionen selbst unter den extrem schwankenden Inselbedingungen treffend beschreiben und Vorhersagen ermöglichen sollen. Sobald genügend Daten aus den Freilandexperimenten vorliegen, wollen die Wissenschaftler prüfen, ob sie mit ihren Prognosen richtig liegen. "Ziel ist es, Vorhersagen zu treffen für quadratkilometergroße Flächen und lange Zeiträume, in denen Evolution normalerweise stattfindet", betont Brose.

Unter dem thematischen Dach "Vorhersagen und Prognosen" interessiert die Forscher natürlich auch, welche Folgen klimatische Verwerfungen haben. Und so simulieren verschiedene Höhenstufen der künstlichen Inseln die Überflutungszonen der Salzwiesen; sie sorgen dafür, dass die Pflanzen unterschiedlich häufig dem Salzwasser der Nordsee ausgesetzt sind. So soll sich zeigen, was ein spürbarer Anstieg des Meeresspiegels bedeuten könnte und wie sich das auf die Vegetation auswirkt. "Wir setzen die Pflanzen der Salzwiesen auf unseren künstlichen Inseln gezielt unter Druck, schauen, wie sie mit dem ,Stress‘ zurechtkommen und die veränderten Umweltbedingungen verkraften", erklärt der Oldenburger Forscher Michael Kleyer. Wie lange dauert es, bis sie eingehen oder durch resistentere Pflanzen ersetzt werden? Wie stark ist ihre Widerstandskraft? Fragen, auf die bei einem gegenwärtigen relativen Anstieg des Meeresspiegels um bis zu vier Millimeter pro Jahr dringend eine Antwort gefunden werden muss.

Auch das Team seines Oldenburger Kollegen Hillebrand nutzt den Computer für mehr als nur das Übliche: Die Forscher machen eine Metaanalyse bereits publizierter Studien, die entweder den Einfluss der Nährstoffverfügbarkeit auf die Artenvielfalt oder den Einfluss der Artenvielfalt auf die Nährstoffnutzung zum Gegenstand hatten, und entwickeln ein Modell zu den Wechselwirkungen. "Wir wollen den Zusammenhang verstehen", erklärt Hillebrand. Das Modell soll später mit jenen Daten abgeglichen werden, die durch die neuen "Inselexperimente" gewonnen wurden.


Kooperationen mit dem Nationalpark Wattenmeer ermöglichen die Experimente im hochgeschützten UNESCOWeltkulturerbe. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Kooperationen mit dem Nationalpark Wattenmeer ermöglichen die Experimente im hochgeschützten UNESCOWeltkulturerbe. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Wie einzigartig diese Forschung ist, zeigt nicht zuletzt die enge Zusammenarbeit mit dem Nationalpark Wattenmeer; die Einrichtung tritt sogar als Kooperationspartner auf. Bisher gab es von jener Seite immer die kategorische Devise: keine Eingriffe im Wattenmeer. Dass die BEFmate- Experimente in dem hochgeschützten UNESCOWeltnaturerbe möglich sind, ist eine absolute Ausnahme – gleichsam Vertrauensbeweis wie Wertschätzung den Wissenschaftlern gegenüber. Den Forschern hilft dabei ihr exzellenter Ruf.

Oldenburger Meeresforscher weiter erfolgreich: Das neue Projekt MarBAS dockt an.

Und der bestätigte sich gerade erst wieder: Ende 2015 gelang es den Oldenburger Wissenschaftlern, sich im harten Wettbewerb bei der landesweiten Ausschreibung "Spitzenforschung in Niedersachsen" durchzusetzen – als eine von insgesamt nur sechs erfolgreichen Bewerbungen (siehe Kasten). Im Rahmen des neuen Forschungsverbunds "Marine Biodiversität – Analyse über zeitliche und räumliche Skalen (MarBAS)" gilt ihr Interesse einzelnen Molekülen ebenso wie ganzen Ökosystemen. Ein Projekt widmet sich – unmittelbar angrenzend an das "Spiekeroogerkünstliche- Inseln-Projekt" – der Frage, mit welcher Geschwindigkeit sich die Artenvielfalt im Meer verändert und welche Folgen das hat. "Dabei wollen wir Datensätze erstmals über eine Zeitspanne von 30.000 Jahren analysieren", sagt Professor Dr. Helmut Hillebrand. Er hat nicht nur eine zentrale Rolle bei dem "Spiekeroog-Projekt" inne, sondern ist auch Koordinator von MarBAS. 

Weitere Forschungsthemen im neuen Verbund MarBAS beziehen sich auf die Anpassungsfähigkeit wirbelloser Meeresbewohner oder auf spezifische, von Algen und Plankton produzierte Zuckerprodukte. Diese geraten immer mehr in den Fokus der Meereswissenschaftler, da sie die Ozeane dieser Erde zu einem großen klimarelevanten Kohlenstoffspeicher machen. Auch den gefährdeten Korallenriffen gilt das Interesse. Deutlich wird: Bei den meisten MarBAS-Teilprojekten finden sich mögliche An- und Verknüpfungsstellen zu BEFMate.


Bei ihrem Besuch im Spätsommer 2015 freuen sich Dr. Kristin Haynert und Salome Gonçalves (von links): Bereits nach der ersten Vegetationsperiode hat sich einiges getan. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Bei ihrem Besuch im Spätsommer 2015 freuen sich Dr. Kristin Haynert und Salome Gonçalves (von links): Bereits nach der ersten Vegetationsperiode hat sich einiges getan. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Welche Erkenntnisse das Projekt noch bringen wird? "Evolution geschieht nicht von heute auf morgen. Wir würden die Untersuchungen gerne über mindestens 15 Jahre fortführen", sagt Kleyer. Vielleicht kümmern sich die Beteiligten auch deshalb frühzeitig um denkbare Nachwuchsforscher. Eine Verbindung zur Hermann-Lietz-Schule Spiekeroog steht jedenfalls. Deren Schüler können vor der eigenen Haustür gemeinsam mit den Forschern in einem weltweit einzigartigen Projekt die Geheimnisse der Wattinseln ergründen.  


Text: Andrea Hoferichter // Fotos: Christian Burkert