Vor der Küste von Amerikanisch-Samoa knallt die tropische Sonne auf eine flache gezeitenabhängige Lagune und erwärmt das Wasser dort für einige Stunden am Tag auf 35 Grad Celsius. Solchen Temperaturen würden die meisten Korallen nicht standhalten – und doch ist der Boden dieser Lagune von geweihartig verzweigten Blumentieren überzogen und Heimat kühlschrankgroßer Korallenriffe. "Ihr Vorkommen dort bedeutet, dass sie sich angepasst haben, um zu überleben", erklärt Steve Palumbi von der Stanford University in Kalifornien. "Die eigentliche Frage lautet: Wie haben sie das geschafft? Und könnten das alle anderen Korallen auch?"

Erst allmählich beginnt Palumbi zu verstehen, wie diese Korallen auf Samoa unter solchen extremen Bedingungen gedeihen. Vielleicht ließe sich ihre Fähigkeit nutzen, um ein Riff mit widerstandsfähigen Korallen entstehen zu lassen – und so deren Überlebenschance in den klimawandelbedingt wärmeren Meeren zu verbessern. Ab August wollen der Meeresbiologe und sein Team "das denkbar cleverste Riff der Zukunft" entwerfen.

Korallenriff
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Korallenriffe mussten in den vergangenen Jahrzehnten einiges aushalten – von wärmeren Wassermassen und Ozeanversauerung über Krankheiten bis hin zu Überfischung und Umweltverschmutzung. Wissenschaftlichen Schätzungen zufolge sind seit 1950 weltweit 19 Prozent der Korallenriffe verschwunden und weitere 35 Prozent bedroht oder in kritischem Zustand. Einige Regionen waren besonders stark betroffen: Die Karibik verlor seit den 1970er Jahren beispielsweise 80 Prozent seiner Riffe. Mit sinkendem pH-Wert des Meerwassers und weiterer Erwärmung der Ozeane dürfte sich die Situation zuspitzen – wenn nicht Korallen mittelfristig deutlich anpassungsfähiger sind als bisher vermutet.

Palumbi gehört zu einer kleinen Gruppe von Korallenforschern aus aller Welt, die bedrohte Riffe retten will. Ihr Ziel ist eine "menschengestützte Evolution": Unter kontrollierten Bedingungen züchtet man widerstandfähige Korallen und siedelt sie dann in Regionen an, die bereits stark von den veränderten Klimabedingungen betroffen sind – oder sein werden. "Die schöne neue Welt der Korallenforschung", scherzt Ruth Gates von der University of Hawaii in Manoa. Zusammen mit der Korallengenetikerin Madeleine van Oppen vom Australian Institute of Marine Science in Townsville leistet die Meeresbiologin Pionierarbeit auf diesem Gebiet.

Doch die Arbeit ist nicht unumstritten. Obwohl sich bisher noch niemand darin versucht, gentechnisch veränderte Korallen zu erschaffen, zeigen sich einige Forscher besorgt. Die menschengestützte Evolution sei einfach ein zu tiefer Eingriff in natürliche Systeme. "Wenn man ein Riff gewissermaßen bewirtschaftet, nimmt man einen natürlichen Lebensraum und wandelt ihn um", sagt Steve Vollmer vom Marine Science Center der Northeastern University in Nahant, Massachusetts. Es bedürfe noch weiterer Forschung, so der Korallengenetiker, bevor man derartige Programme ins Leben ruft. "Das wäre in etwa so, als würde man in den Mittleren Westen gehen, sich das Weideland schnappen und dort Soja anbauen. Das hätte schwer wiegende Folgen."

Heiße Gewässer

Korallenriffe mussten in den vergangenen Jahrzehnten einiges aushalten – von wärmeren Wassermassen und Ozeanversauerung über Krankheiten bis hin zu Überfischung und Umweltverschmutzung. Laut dem Synthesebericht "Status of Coral Reefs of the World: 2008" von Hunderten von Wissenschaftlern und Umweltmanagern sind seit 1950 weltweit 19 Prozent der Korallenriffe verschwunden und weitere 35 Prozent bedroht oder in kritischem Zustand [1]. Einige Regionen waren besonders stark betroffen: Die Karibik verlor seit den 1970er Jahren beispielsweise 80 Prozent seiner Riffe [2]. Bis zum Ende dieses Jahrhunderts könnte der pH-Wert des Meerwassers von 8,1 auf 7,9 oder sogar weiter sinken, erwarten Forscher. Zudem erwärmen sich die Ozeane voraussichtlich um mindestens zwei Grad Celsius, gemittelt über den gesamten Globus. "Der Zustand der Korallen lässt sich vielleicht mit einer Badewanne vergleichen, bei der man den Stöpsel zieht und das Wasser rasch abfließt", sagt Palumbi.

Seit mehr als 20 Jahren haben sich Projekte zur Riffsanierung auf die Karibik und andere schwer betroffene Regionen konzentriert. Im Rahmen dieser Programme nehmen Forscher kleine Proben von den jeweils heimischen Riffen und züchten diese unter kontrollierten Bedingungen. Nach einigen Monaten lassen sich dann Fragmente von der Größe einer Hand oder mehr "auswildern" – mit Unterwasserzement werden die Korallen am Riff befestigt und können dort weiterwachsen. Solche Projekte haben zwar gezeigt, dass sich eine Korallentransplantation in kleinem Maßstab realisieren lässt. Doch verpflanzte Korallen wachsen langsamer als gewöhnlich und weisen eine höhere Sterberate auf [3]. "Die Wiederherstellung von Korallen war schon immer enorm teuer, langsam und ineffizient", berichtet Palumbi. "Unser Ziel ist es, eine raffiniertere Methode dafür zu finden."

Diese raffiniertere Methode nutzt die überraschende Widerstandsfähigkeit und den Einfallsreichtum einiger Korallen sowie der symbiotischen Algen, die in ihnen leben. "Manchmal entdecken wir Riffe, die sich sehr, sehr gut an Orten entwickeln, an denen man sie am wenigsten erwarten würde", sagt Gates – wie etwa ein Riff vor Taiwan, das sich unterhalb des Auslassrohrs für Abwasser aus einem Kernkraftwerk befindet und täglich Temperaturschwankungen zwischen sechs und acht Grad Celsius erfährt. "Nach unserem gegenwärtigen Verständnis sollten diese Korallen allesamt tot sein. Aber das sind sie nicht, sie gedeihen prächtig."

Erreichen wir mehr mit mehr Daten? Ich weiß es nicht! (Steve Palumbi)

Man ging auch davon aus, dass Meerwasser mit einem reduzierten pH-Wert die Korallenskelette auflöst – doch in Palau im westlichen Pazifischen Ozean stießen Forscher in relativ saurem Wasser auf, verglichen mit durchschnittlichen Exemplaren im Pazifik, größere und artenreichere Riffe [4]. Die düsteren Prognosen über die Häufigkeit von zukünftigen Korallenbleichen – ein massenhaftes Absterben von gestressten Korallen, wenn diese ihre symbiotischen Algen abstoßen – reduzieren sich um 20 bis 80 Prozent, stellte eine andere Studie fest, wenn man in den Modellen die Fähigkeit der Korallen berücksichtigt, sich nach einer solchen Bleiche anzupassen. Dadurch verzögert sich das vorhergesagte Massensterben der Riffe um etwa ein Jahrzehnt.

Bisher haben Wissenschaftler nur eine Hand voll an Hinweisen, was einige Korallen so widerstandsfähig macht. In einer 2013 veröffentlichten Studie verglichen Palumbi und seine Kollegen – darunter der Meeresbiologe Daniel Barshis von der Stanford University – zwei Populationen der riffbildenden Koralle Acropora hyacinthus vor der Insel Ofu in Amerikanisch-Samoa [6]. Eine Population lebt in der eingangs beschriebenen Lagune, in der die Temperaturen im Sommer bei Ebbe auf 35 Grad Celsius klettern und täglich um bis zu sechs Grad Celsius schwanken; die andere Population wird nicht so stark von den Gezeiten beeinflusst und muss nur Temperaturen von etwa 29 Grad Celsius aushalten. Das Team setzte einige Proben in einen Behälter und konfrontierte sie vier Tage lang mit Temperaturen, die annähernd drei Grad Celsius höher ausfielen als gewohnt. Am Ende des vierten Tages waren alle Korallen gebleicht. Die Exemplare aus der aufgeheizten Lagune überlebten jedoch länger und zeigten eine stärkere Expression von 60 Genen, etwa von altbekannten Thermotoleranzgenen, die Hitzeschockproteine und antioxidative Enzyme bilden.

Riff des Amerikanisch-Samoa-Atoll
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Vor der Küste von Amerikanisch-Samoa erwärmt die Sonne das Wasser nicht selten auf 35 Grad Celsius. Solche Temperaturen würden die meisten Korallen nicht lange überleben – einige Spezialisten ertragen die Temperaturen aber durchaus. Können Gentechniker etwas von diesen Tieren lernen?

Sowohl die genetische Fitness als auch eine Anpassung an veränderte Umweltbedingungen seien wichtig, meinen Palumbi und Barshis, um die Widerstandsfähigkeit zu steigern. So deuten ihre Analysen darauf hin, dass Korallen durch äußere Einflüsse im Lauf ihres Lebens "abhärten" können. Die Proben aus der warmen Lagune sind physiologisch darauf vorbereitet, weiteren Hitzestress zu ertragen, "wie ein Sportler, der seit jungen Jahren täglich trainiert", beschreibt Barshis.

Wärmeverträglichere Arten scheinen sich zudem eher für eine Umsiedlung zu eignen, stellten die Forscher fest. Dazu hatten sie versuchsweise rund 400 der Proben aus den zwei Korallenpopulationen wieder in den beiden Riffarealen angesiedelt. Dieser Umzug lief bei Korallen aus wärmeren Gewässern nicht nur effizienter ab, sie wuchsen auch schneller als die Exemplare aus kühleren Gewässern, so das Ergebnis.

Im August wollen Palumbi und seine Kollegen ein Versuchsprojekt zur Wiederherstellung des Sili-Riffs vor der Insel Ofu starten. Um die besten Korallen auszuwählen, greifen die Forscher auf ihre umfangreichen Daten über das Gebiet zurück, die unter anderem Wachstumsmessungen und Transkriptome umfassen, also Schnappschüsse der gerade aktiv in Proteine transkribierten Gene. Auch die Daten eines tragbaren Stresstests für Korallen, den Palumbi gerade entwickelt, möchten die Wissenschaftler verwenden – "ähnlich einem Laufbandtest für die menschliche Herzfunktion", erläutert der Meeresbiologe. Aus 7,5 Liter fassenden Kühlboxen bastelten er und sein Team mit Licht, Heiz- und Kühlgeräten ausgestattete Behälter. Darin können die Korallen unter kontrollierten Bedingungen starkem physiologischem Stress ausgesetzt werden. Indem das Team das Ausbleichen und den Chlorophyllgehalt überwacht, kann es später vermutlich vorhersagen, wie Korallen auf potenzielle Ursachen für eine Korallenbleiche reagieren.

Mit all diesen Informationen im Gepäck wollen die Wissenschaftler dann die robustesten, am schnellsten wachsenden und hitzeverträglichsten Korallen für ihr cleveres Riff aussuchen. Gleichzeitig soll ein zweites Riff mit zufällig ausgewählten Korallen entstehen. Anschließend wird der Zustand der beiden Riffe über mehrere Jahre verfolgt. "Die Frage lautet: Erreichen wir mehr, wenn wir eine Menge an Daten über die einzelnen Korallen haben?", so Palumbi. "Um ehrlich zu sein, ich weiß die Antwort nicht."

Generationsübergreifender Schutz

Ein Team um Hollie Putnam von der University of Hawaii fand Belege dafür, dass die durch Anpassung erworbene Stresstoleranz an die Nachkommen weitergegeben werden kann. Die bisher unveröffentlichte Studie, an der auch Gates mitwirkte, untersucht die Vermehrung von so genannten Busch- oder Himbeerkorallen (Pocillopora damicornis). Sind ausgewachsene Tiere dabei Stress ausgesetzt, bringen sie Larven mit einer höheren Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärme und Ozeanversauerung hervor. Dieser generationsübergreifende Schutz, spekulieren die Wissenschaftler, könnte auf epigenetische Veränderungen zurückgehen: die Modifikation von molekularen Markern auf dem Genom, die die Genexpression beeinflussen.

Gates und van Oppen beobachten vor allem Regionen, die bereits massive Korallenbleichen überstanden haben, wie Moorea in Französisch-Polynesien, Teile des Great Barrier Reef in Australien und die Seychellen, wo 97 Prozent der Korallen um die Inselgruppe Inner Islands abstarben, als sich der Ozean durch den El Niño von 1997/98 erwärmte. (Die überlebenden Korallen werden bereits gezüchtet und wieder auf Riffen angesiedelt, um ihre Regeneration zu unterstützen.) Gates und van Oppen kreuzen Korallen miteinander, die das strapaziöse Bleichen überlebt haben, und untersuchen anschließend die Widerstandsfähigkeit der Nachkommen.

Ihre Ideen brachten Gates und van Oppen 2013 den mit 10 000 US-Dollar dotierten Paul G. Allen Ocean Challenge Prize ein – und dazu das Angebot, eine Förderung im Umfang von etlichen Millionen Dollar zu beantragen. Je nachdem, wie hoch die Finanzierung letztlich ausfällt, wollen die beiden ihre Korallen auch mittels Wärme und Säuregehalt traktieren, bevor sie sie weiter heranzüchten. Auf diese Weise ließe sich prüfen, ob und wie eine Toleranz über Generationen weitergegeben wird. Gerade sammelten van Oppen und ihr Team ausgewachsene Exemplare der verzweigten Korallen Pocillopora acuta vom Great Barrier Reef. Im National Sea Simulator – einem riesigen Aquarium, in dem sich in einzelnen Wasserbecken die Bedingungen im offenen Meer nachspielen lassen – des Australian Institute of Marine Science sollen die Korallen dann wachsen.

Letztlich wollen Gates und van Oppen eine "Samenbank" mit Keimzellen und befruchteten Embryonen von Korallen erstellen, die trotz extremer Umweltbedingungen überleben – wie etwa auf den seichten Riffen um Coconut Island in Hawaii. Hier schwanken sowohl Temperatur als auch pH-Wert drastisch und erreichen Spitzenwerte, wie man sie 2050 ähnlich im offenen Meer erwartet. Die Samenbank würde Bemühungen der Smithsonian Institution in den USA in Zusammenarbeit mit Einrichtungen aus Hawaii und Australien ergänzen, die bereits Spermien und embryonale Zellen von Korallen zusammentragen.

Ein letztes, wichtiges Puzzlestück stellen die symbiotischen Algen der Korallen dar: Diese leben kürzer und entwickeln sich schneller als ihre Wirte. Und wie Forschungen zeigen, können sie ihre Wärmetoleranz weitergeben. In einer Studie impfte man beispielsweise junge Korallen mit Algenstämmen, die von einem warmen und für seine Hitzeverträglichkeit bekannten Riff stammen [7]. Selbst bei Temperaturen bis zu 32 Grad Celsius entwickelten sich die so präparierten Korallen gut, wohingegen mit Algen von einem kühleren Riff geimpfte Proben der gleichen Korallen deutlich schlechter abschnitten – sie litten unter Bleichen und Gewebeschäden.

Der Meeresbiologe Andrew Baker von der University of Miami in Florida und seine Kollegen entdeckten, dass Symbionten von einer Abstammungslinie namens Klade D in einigen Korallen eher vorherrschten, wenn diese Wärme ausgesetzt waren [8]. Diese Algen scheinen mit solchen Bedingungen also besser umgehen zu können als andere Stämme – und helfen offenbar auch ihren Wirten dabei zu überleben. Klade-D-Symbionten, insbesondere die Typen D1 und D1a, sind nachfolgenden Studien zufolge in einer Vielzahl von Korallen weit verbreitet, die ausgeprägte Bleichen überstanden haben [9]. C15, ein anderer Stamm, scheint in wärmeverträglichen Korallen nahe Moorea dominant zu sein, fanden Putnam, Gates und ihre Kollegen heraus [10].

Forscher wie Baker könnten sich vorstellen, Korallenriffe vorsätzlich mit robusteren Algenstämmen zu auszustatten und sie so für den Klimawandel zu wappnen. Ob es allerdings möglich sein wird, Symbiontenpopulationen in der freien Wildbahn erfolgreich zu manipulieren, ist bisher noch unklar. Denn hier könnten die Korallen auf Grund von Umweltbedingungen einen Algentyp gegenüber einem anderen bevorzugen.

Mitarbeiter der bestehenden Korallenzuchten sendeten Proben von Korallen und deren Symbionten für eine genetische Sequenzierung an Wissenschaftler. Gleichzeitig kontrollierten sie, welche Organismen gut mit Wärmeschocks oder Krankheitsausbrüchen umgehen. Forscher haben Hunderte von genotypisierten Stämmen aus einer Hand voll von Korallenarten erfasst, darunter die vom Aussterben bedrohte Hirschhornkoralle (Acropora cervicornis) aus Lebensräumen in der Karibik, sagt Meeresbiologe Les Kaufman von der Boston University in Massachusetts.

Helfen oder Schaden

Riffe mit Designerkorallen liegen zwar noch in ferner Zukunft. Doch nachdem die Forschung in diese Richtung schreitet, warnen einige schon vor Pfusch, der am Ende mehr schaden als nützen könnte.

Organismen nach Eigenschaften wie einer Toleranz gegenüber Wärme oder Ozeanversauerung auszulesen, könnte beispielsweise einen genetischen Flaschenhals produzieren. "Tatsächlich verringern selektive Zuchtprogramme womöglich die Fähigkeit von Korallen, sich an künftige Veränderungen der Umweltbedingungen anzupassen, da sie die genetische Variation schmälern", erläutert David Miller von der James Cook University in Townsville. Vorausgesetzt, die selektive Zucht von Korallen funktioniere überhaupt – noch wisse man nicht einmal, so der Biologe, ob Säure- und Wärmeverträglichkeit tatsächlich im Wesentlichen vererbare Eigenschaften sind.

Versucht man spezifische Merkmale beispielsweise von Pflanzen oder Hunden durch das Kreuzen verschiedener Arten zu verbessern, merken Miller und andere Wissenschaftler an, passiert das häufig auf Kosten anderer Eigenschaften. "Oft tritt ein 'Ausgleichseffekt' auf, so dass beispielsweise stresstolerantere Exemplare eher langsamer wachsen", berichtet Miller. Eine Selektion nach Widerstandsfähigkeit gegen Wärme und Säure könnte also hypothetisch etwa in einer gesteigerten Anfälligkeit für Krankheiten resultieren.

Manuel Aranda von der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Thuwal, Saudi-Arabien, stimmt zu, dass die Zucht ihren Preis haben könnte. Doch der Gesundheitszustand der Riffe verschlechtere sich dramatisch, und das rechtfertige es, so der Evolutionsmolekularbiologe, alle verfügbaren Optionen auszuprobieren. "Wenn ein gesamtes Ökosystem zu verschwinden droht, dann muss man handeln."

Das Korallenriff-Management hatte bis vor Kurzem noch das Ziel, so Baker, Meeresschutzgebiete zu schaffen und so den Druck durch Umweltverschmutzung und Fischerei zu reduzieren – in der Hoffnung, dass dies die Riffe stark genug macht, um mit dem Klimawandel fertigzuwerden. "Die Lage hat sich geändert, seitdem man realisiert hat, wie ernst die Situation ist", sagt Baker. "Wir müssen mehr tun als das. Wir müssen Maßnahmen ergreifen."

Rund 500 Millionen Menschen hängen bezüglich Nahrung und Einkommen in irgendeiner Weise von Korallenriffen ab – und für weitere 30 Millionen bilden die Riffe die einzige Lebensgrundlage [1]. Statistiken wie diese zusammen mit den wissenschaftlichen Fakten über den Klimawandel machen es für Gates dringend erforderlich, die gelenkte Evolution anzustreben. "Viel Zeit", meint sie, "haben wir nicht mehr."


Der Artikel ist unter dem Titel "Climate-change adaptation: Designer reefs" in "Nature" erschienen.