Abschlussbericht über die Forschungsreise zur Verbreitung der Neobiota Odontella sinensis und Idotea metallica in der Nordsee

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1 Seite 1 Jugendwettbewerb Forschen auf See Team Gesamtschule Harburg 2: Abschlussbericht über die Forschungsreise zur Verbreitung der Neobiota Odontella sinensis und Idotea metallica in der Nordsee Simon Kerbusk David Probandt Jan Wedemeyer Betreuende Lehrerin: Kerstin Froehner Wissenschaftspate: Dr. Stephan Gollasch

2 Seite 2 Einleitung Für den Jugendwettbewerb Forschen auf See haben wir uns mit der Verbreitung von zwei Arten von Neobiota in der Nordsee beschäftigt: Der schon vor 100 Jahren eingewanderten Alge Odontella sinensis und der 1996 zum ersten Mal in der Nordsee aufgetauchten Meerassel Idotea metallica. Auf Forschungsreise und während der Arbeit im Rahmen des Wettbewerbs war für uns über die wissenschaftlichen Erkenntnisse hinaus vor allem das Kennenlernen wissenschaftlichen Arbeitens und der Kontakt und Austausch mit Wissenschaftlern in Hamburg und auf Helgoland in der Biologischen Anstalt zentral. Dieser Abschlussbericht enthält daher sowohl unsere wissenschaftlichen Ergebnisse als auch Reflektionen über unser Vorgehen. Die ursprünglich eingereichte Projektskizze Meerasseln und Kieselalgen als Klimaindikatoren der Nordsee Vergleichende Untersuchungen zum aktuellen Auftreten von Idotea metallica und Idotea baltica in küstennahen und küstenfernen Gebieten der Deutschen Bucht sowie Monitoring des Auftretens von Coscinodiscus wailesii musste vor Antritt der Reise überarbeitet und in einigen Punkten abgeändert werden. Sie stellte die Idee für das Vorgehen bei der Forschungsfahrt dar, konnte aber aufgrund unseres geringen Vorwissens nicht in allen Punkten bestand haben. Unterstützt von Dr. Stephan Gollasch haben wir einige Änderungen in unserer Planung vorgenommen. Durch die Verschiebung des Wettbewerbszeitplans (Die Bekanntgabe der Sieger und der Beginn der Zusammenarbeit mit dem wissenschaftlichen Paten war ursprünglich für März/April angesetzt, konnte aber erst im Juni beginnen) und die Schwierigkeiten bei der Lieferung von Asseln von Helgoland (der Materialservice der Biologischen Anstalt Helgoland konnte leider weder I. baltica noch I. metallica rechtzeitig fangen) mussten wir auf die zunächst geplanten Vorabuntersuchungen im Schullabor verzichten. Durch die Gespräche mit Dr. Gollasch und Linda Ippers über Lebensweise und Verbreitung der Algen und Asseln sowie der Möglichkeiten auf der Aldebaran haben wir uns zu folgender neuer Vorgehensweise entschlossen. -Das Auftauchen von Neobiota in der Nordsee ist schon seit Jahrzehnten zu beobachten und hat unterschiedliche Ursachen. Mit unseren Mitteln ist es nicht möglich zu unterscheiden, ob dem Auftauchen neuer Arten eine Veränderung des Genotyps, eine Veränderung der biotischen oder abiotischen Umweltbedingungen oder das Wegfallen von Barrieren, die eine Verbreitung bisher verhindert haben, zugrunde liegen. Neu auftauchende Asseln wie I.

3 Seite 3 metallica können also nur in dem Maße als Klimaindikatoren gelten, wie in der bereits in der ursprünglichen Projektskizze zitierten Dissertation von Lars Gutow (GUTOW 2003: Konkurrenz, Habitatsegregation und Metapopulationseffekte: Perspektiven für Idotea metallica (Crustacea, Isopoda) in der Nordsee ) vermutet: Die wärmere Regionen gewohnte I. metallica stellt ihre Reproduktion unterhalb von 13 C ein, und konnte sich daher bis heute nicht ganzjährig in der Nordsee etablieren. Ein weiterer deutlicher Temperaturanstieg in der Nordsee könnte eine Etablierung des Neozoen ermöglichen. Das dauerhafte, ganzjährige Auftauchen von I. metallica könnte damit eine sichtbare Folge eines Klimawandels in der Nordsee sein, als Indikator ist es kaum geeignet. -Der Zeitpunkt unserer Reise eignete sich nicht für ein Monotoring von Coscinodiscus wailesii. Diese Art ist in der Nordsee im Hochsommer kaum oder gar nicht anzutreffen. Wir haben uns daher entschieden, die Etablierung des Neophyten Odontella sinenis (Bidulphia sinensis) nachzuvollziehen. Mit unseren Untersuchungen haben wir beobachtet, in welchem Zahlenverhältnis O. sinensis im Hochsommer gegenüber Algen vergleichbarer Größe auftaucht, um die Stärke der Verbreitung viele Jahre nach der Einwanderung dieses Neophyten zu einzuschätzen. Unsere Frage: In welchem Zahlenverhältnis zu Algen ähnlicher Größen taucht Odontella sinensis an 5 verschiedenen Probenentnahmeorten auf? -Die Untersuchungen zur Verbreitung von I. metallica und der Konkurrenz zu I. baltica mussten auf Hinweise und Stichproben reduziert werden. Sollte I. metallica I. baltica massive Konkurrenz machen und die Verbreitung weit fortgeschritten sein, ist es sehr wahrscheinlich, beide Arten im gleichen Habitat anzutreffen. Sollte I. metallica im Gegensatz zu I. baltica mit den begrenzten Fangmethoden nicht zu finden sein, ist von einer nur geringen Verbreitung und Konkurrenz auszugehen. Unsere Fragen: Lassen sich in den Habitaten der einheimischen Meerasseln auf Helgoland (Felswatt und Treibgut) I. metallica finden? Tauchen Sie in den gleichen Proben auf wie I. baltica? In welchem Zahlenverhältnis werden die beiden Arten gefangen?

4 Seite 4 Reiseverlauf Tag 1: Die Suche nach Asseln beginnt am ersten Tag im Husumer Hafenbecken. Materialen: Käscher, Pinsel und Eimer Bevor wir beginnen, füllen wir in den weißen Eimer ein wenig Wasser. Folgend greifen wir Steine aus dem Gezeitenbereich und vom halbtrockenem Ufer und werfen diese schnellst möglich in den weißem Eimer. Das anschließende Abpinseln des Steines soll dafür sorgen, dass auf dem Stein sitzende Asseln in den Eimer fallen. Ein abschließendes Absieben des Wassers im Licht zeigt, dass wir erfolglos waren bei er Suche nach Idotea. Tag 2: Erst am nächsten Tag können wir die Arbeit fortsetzen: Während der Überfahrt nach Helgoland nehmen wir an vier Orten jeweils drei Phytoplanktonproben: 1. Im Fahrwasser des Nordstrander Watts 2. Vor der Schleswig-holsteinischen Küste 3. Auf hoher See 4. Kurz vor Helgoland An jedem dieser vier Orte bringen wir das Schiff vollständig zum Stehen. Im Helgoländer Hafen eingelaufen werden die abgefüllten Proben mit Lugol fixiert, beschriftet und wieder gekühlt. Tag 3: Tag drei beginnt mit dem Mikroskopieren der Planktonproben. Wir erlangen einen ersten Eindruck: Coscinodiscus wailesii ist nicht zu finden. Dafür Odontella sinensis.

5 Seite 5 Vormittags machen wir uns auf den Weg ins Felswatt Helgolands, um dort nach Asseln zu suchen. Der volle Eimer mit Algen und Wasser wird wenige Stunden später von uns mit Hilfe Karin Roos nach Asseln durchsucht. In der BAH bekommen wir Informationen zur Hälterung von Organismen, besonders unseren Asseln, und lernen weitere Wissenschaftler kennen. Nach der Führung macht sich die gesamte Crew inklusive Karin Roos auf die Suche nach Asseln in unserem Eimer. Mit Wannen in die Stück für Stück Wasser gelassen wird, und Algen abgewaschen werden ist es uns möglich sieben Asseln zu finden. Erste Bestimmungen unter dem Binokular helfen uns bei späteren Einschätzungen im Verlauf der Reise und in Hamburg. Wie erwartet finden wir I. baltica und I. granulosa, jedoch keine I. metallica. Zurück auf dem Schiff werden die Asseln in ein Aquarium gegeben und gehältert um sie am folgendem Tag lebend zu betrachten. Die letzte, und somit fünfte, Planktonprobe nehmen wir an diesem Tag bei Helgoland. Tag 4: Der nächste Tag beginnt mit dem Präparieren und dem anschließendem Mikroskopieren von den Planktonproben. Der Besuch von Susanna Knotz hilft uns dabei sehr. Wir zählen erste Proben aus. Später haben wir einen Termin mit Herrn Prof. Franke. Von ihm erfahren wir wichtige Informationen zur Ökologie der Idotea und vor allem einen Tipp wo wir I. metallica finden können auf Treibgut, welches sich im Norden Helgolands an einer Strömungskante sammelt. Genau da werden wir wenige Stunden

6 Seite 6 später auf Treibgut sehr viele Asseln finden. Diese filmen wir nach dem Abendessen und fixieren sie anschließend mit Alkohol 96. Während der Überfahrt sammeln wir Treibgut mit Asseln ein, welche wir auf Sylt fixieren. Tag 5: Das Schiff wird gereinigt, es finden keine wissenschaftlichen Arbeiten mehr statt. Die Planktonproben werden während der Reise untersucht, die Asseln erst zurück in Hamburg bestimmt.

7 Seite 7 Wissenschaftliches Vorgehen und Ergebnisse Die fünftägige Ausfahrt mit der Aldebaran diente uns vor allem zur Probensammlung und anfänglichen Auswertung über das bordeigene Labor. Darüber hinaus halfen die Kontakte mit Wissenschaftlern der BAH, die Ergebnisse einzuordnen. Planktonproben Odontella sinensis (Bild: OIW - Institut für Ostseeforschung Warnemünde) Probenentnahmeorte: Auf der Überfahrt von Husum nach Helgoland und bei Helgoland haben wir insgesamt fünf Probestelle angefahren und jeweils drei Proben entnommen. Der Grund für fünf Orte liegt an deren Lage. Zwei der Probenentnahmeorte waren küstennah. Einer davon im Nordstrander Watt, der andere direkt vor der schleswigholsteinischen Küste. Drei weitere waren auf der Hochsee wischen dem Festland und Helgoland und bei Helgoland. Die vielen verschiedene Orte erlaubten uns verschiedene Strömungsverhältnisse, Temperaturen, Lebensräume zu berücksichtigen und auf eine große Bandbreite an Lebensräumen des Plankton zuzugreifen. Mit dieser Rückversicherung wollen wir

8 Seite 8 sicherstellen, dass wir nicht nur durch Zufall keines unseres exotischen Planktons anfinden. Der dritte Probenentnahmeort lag in der Nähe von Helgoland. (Für Details zu den Probenentnahmeorten und Bedingungen siehe Tabelle.) Vorgehen: Zwei der drei Probearten haben wir mit Planktonnetzen vorgenommen. Die Maschenweite lag bei 200µm und 50µm. Die unterschiedliche Maschenbreite hätte uns im Nachhinein erlaubt auf andere Organismen umzuspringen falls wir in den Proben Odontella sinensis nicht vorfinden. Die dritte Probe haben wir mit einem Eimer vorgenommen. Dieser wurde genauso wie die Netze mit einem zuvor markierten Seil 10m (bzw. tiefste Stelle) ins Wasser gelassen und in regelmäßigem Tempo wieder herraufgezogen. Eine festgelegte Menge dieser Probe wurde abgefüllt und im bordeigenen Kühlschrank kühl gelagert. Im Gegensatz zur Eimer-Probe war es bei dem Konzentrat aus den Planktonnetzen nicht von solch großer Bedeutung, dass die abgefüllte Menge immer identisch ist, da wir bei denen kein Mengenverhältnis aufstellen wollten. Ein Mengenverhältnis sollte, je nach Ergebnis der Auszählung im Konzentrat, mit den Proben aus dem Eimer erfolgen. Die entnommene Proben wurden mit der Lugol schen Lösung fixiert, und beschriftet (siehe Tabelle), um sie auch später noch auswerten zu können, und anschließend wieder kühl gelagert. Die Konzentrate haben wir an Bord präpariert und schon ausgezählt. Das Präparat wurde über das Mikroskop in Echtzeit auf einen Bildschirm übertragen. So war es uns ermöglicht, dass die gesamte Gruppe mitverfolgen konnte, was sich für Plankton in der Probe befindet. Mit Hilfe des Bestimmungsschlüssels, den wir von Susanna Knotz erhalten hatten, haben wir zu dritt das Verhältnis von Odontella sinensis und vergleichbar großem Plankton ausgezählt. Dabei haben wir 400 Schwebeteilchen gezählt. Diese Anzahl wurde uns von Susanna Knotz von der BAH empfohlen. Bei dieser Größenordnung wird das Ergebnis selbst bei einigen Bestimmungsfehlern nicht wesentlich verfälscht.

9 Seite 9 Asselproben Idotea Baltica (Probe D) Probenentnahmeorte: Auch bei der Asseljagd haben wir verschiedene Orte aufgesucht um nach Asseln zu suchen. Nach zuvor eingeholten Tipps haben wir uns am ersten Tag auf Helgoland im Helgoländer Felswatt im Norden der Insel auf die Suche gemacht. Nach Gesprächen besonders mit Dr. Franke- folgte in den nächsten Tagen die Jagd auf Asseln, die sich auf Treibgut befinden. Vorgehen: Gefangen wurden die Asseln sowohl vom Treibgut, als auch im Felswatt auf die selbe Methode: Es stand ein mit Meerwasser befüllter Eimer bereit. Algen wurden mit einem Kescher, der eine besonders geringe Maschenweite aufweist, eingefangen, bzw. in den Kescher gelegt und dann schnell in den Eimer transportiert. Im Hafen angelegt haben wir das Wasser mit den Algen in flache Wannen fließen lassen und die gut zu erkennen Asseln mit einer Pinzette herausgesucht. Die Algen wurden mehrmals im Wasser durchgewaschen und von Hand abgelesen um alle Asseln zu finden. Die gefangenen Asseln wurden an Bord in Alkohol eingelegt und beschriftet (siehe Tabelle). Bestimmt wurden die Asseln erst in Hamburg unter einem Binokular. Die Nicht bestimmten Asseln, die in zum Teil sehr großen Prozentzahlen auftauchen waren vor allem so junge Tiere, dass physiologische Eigenschaften noch zu undeutlich waren um sie eindeutig zu bestimmen. Um einer falschen Bestimmung und somit verfälschtem Ergebnis entgegenzuwirken haben wir uns dazu

10 Seite 10 entschlossen, nicht eindeutig identifizierte unter nicht bestimmte Arten in der Tabelle aufzählen zu lassen. Tabelle: Fangorte für Idotea Ergebnisse Probe Datum Ort Uhrzeit Genommene Probegläschen A Husumer Hafenbecken 22:00 Uhr 0 Gezeitenzone unter trockenen, nassen Steinen und im Schilf B Felswatt Helgoland Norden Algen und Steine in Gezeitenzone 10:00 Uhr 2 C (Treibgut)Strömungskante nördlich von Helgoland D (Treibgut) N54 35,0 E006 07,0 20: Uhr 12:40 Uhr 4 Tabelle: Anteil der verschiedenen Idotea-Arten an den gefangenen Meerasseln (in Prozent) Probe Gesamtanzahl I.baltica I.granulosa I.neglecta I.linearis nicht bestimmt B ,1 14,3 0 28,6 C 32 34,4 6, ,3 D 79 31,6 0 2, Wir haben zwei Untersuchungen durchgeführt. Die erste nahm sich der Fragestellung an: Lassen sich in den Habitaten der einheimischen Meerasseln auf Helgoland (Felswatt und Treibgut) I. metallica finden? Tauchen Sie in den gleichen Proben auf wie I. baltica? In welchem Zahlenverhältnis werden die beiden Arten gefangen? Die zweite betraf das Phytoplankton und lautete: In welchem Zahlenverhältnis zu Algen ähnlicher Größen taucht Odontella sinensis an 5 verschiedenen Probenentnahmeorten auf? Untersuchung 1: Idotea metallica Unsere Nachforschungen haben uns einen Hinweis gegeben, wie unsere Antworten auf die Fragen zur Untersuchung lautet könnten. Nach der fünftägigen Forschungsfahrt haben wir trotz Tipps wo I. metallica anzutreffen sein könnte keines dieser Exemplare

11 Seite 11 gefunden (vgl. Tabelle). Nicht im Felswatt und ebenso wenig in deren Habitat, biotischen und abiotischen treibenden Substraten. Bei einem Blick in die Tabelle erkennt man, dass ein großer Anteil der gesammelten Tiere nicht bestimmt werden konnten. Es handelt sich hierbei vor allem um juvenile Tiere. Bei keinem von ihnen deutet sich das charakteristisch geformte Telson von I. metallica an, sodass davon auszugehen ist, dass auch unter den Juvenilen keine I. metallica zu finden sind. Idotea baltica (ProbeD) Charakteristisches Telson von Idotea Baltica (Probe C)

12 Seite 12 Tabelle: Phytoplankton-Probentnahmeort und bedingungen Probe Position Uhrzeit Wetter Länge der Leine, die ins Wasser gelassen wird 1 N 54 26,552' O 8 37,193' 10:08 Uhr bedeckt, ab und zu 3m Nieselregen, zuvor auch keine Sonne 2 N 54 21,910'' O 8 27,250' 13:08 Uhr bedeckt, seit letzter 10m Entnahme vereinzelte Schauer Untersuchung 2: Odontella sinensis Das Ergebnis beim Auszählen von Odontella sinensis ist nicht eindeutig. An beiden küstennahen Probeentnahmeorten haben wir einen Anteil von 12,75% und 9,25% an O. sinensis vorgefunden. In diesen Regionen hat sich Odontella sinensis als ein Exot etabliert. In Probe 3-5 lassen sich keine oder nur verschwindend geringe Anteile an O. sinensis finden. Oberfläch enwasser temperat ur 17,6 C 18,6 C 3 N 54 18,867' O 8 18,089' 16:38 Uhr heiter bis wolkig 10m 19,2 C 4 N 54 12,005' O 8 0,052' 19:30 Uhr bedeckt 10m 19,3 C 5 N 54 11,2' O 7 53,8' Uhr heiter wolkig, zuvor ebenso 8m 19,6 C

13 Seite 13 Diskussion In keiner unserer Proben konnte Idotea metallica gefunden werden. Dadurch ist zunächst einmal die Aussagekraft der Daten sehr begrenzt. Da allerdings in den Stammhabitaten Felswatt und Treibgut die jeweils Einheimischen Idotea-Arten zum Teil in sehr großer Zahl gefunden werden konnten, lässt sich vermuten: Idotea metallica verdrängt die einheimischen Arten bisher nicht aus ihren Habitaten und ist noch nicht überall in der Nordsee verbreitet. Der Austausch mit Prof. Franke von der Biologischen Anstalt Helgoland bestätigt uns: Idotea metallica stellt unterhalb von 13 C die Reproduktion ein, sodass die Populationen in der Nordsee im Winter durch den großen Fraßdruck regelmäßig zerstört werden und jedes Jahr neue Populationen einwandern müssen. Dadurch ist eine Massenverbreitung in der Nordsee nicht möglich, zumal die ökologischen Nischen von den einheimischen Idotea-Arten bereits besetzt sind (Vgl. auch: GUTOW 2003: Konkurrenz, Habitatsegregation und Metapopulationseffekte: Perspektiven für Idotea metallica (Crustacea, Isopoda) in der Nordsee ). Unsere Forschungsreise fand in den Sommermonaten statt, also zu einer sehr guten Zeit für Idotea metallica. Dass wird dennoch keine Tiere fangen konnten, bestätigt den Verdacht einer bisher nur geringen Verbreitung. Der Anteil von Odontella sinensis an Algen ähnlicher Größe von rund 9 bis rund 13 Prozent ist als Hinweis darauf zu werten, dass O. sinensis sich in der Nordsee etabliert hat. Die Proben ohne Odontella sinensis zeigten eine komplett anderes Bild der Phytoplanktonzusammensetzung, sodass man vermuten kann, dass Unterschiede auf Strömungsverhältnisse, Tageszeit oder andere veränderte Faktoren zurückzuführen sind und nicht gegen eine Verbreitung von O. sinensis sprechen. Als Beispiel lässt sich dafür Probeort 5 heranziehen. Diese Probe hat insgesamt nur sehr wenig Phytoplankton ergeben. So kann es möglich sein, dass wir an einem anderen Tag oder zu anderen Strömungs- und Lichtverhältnissen O. sinensis durchaus in der Probe hätten finden können. Odontella sinensis hat seit der Einwanderung eine Nische in der Nordsee besetzt. Es zeigt sich aber auch, dass der O. sinensis nicht zur dominierenden Alge geworden ist, andere Arten waren in unseren Proben stärker vertreten. Dies entspricht insgesamt unseren Erwartungen nach den Vorgesprächen mit Dr. Gollasch in Hamburg und dem Austausch mit Frau Knotz auf Helgoland.

14 Seite 14 Abschlussbemerkung Rückblickend wurde für uns vor allem deutlich, wie komplex auch eine für uns scheinbar eng eingegrenzte Fragestellung wie die nach der Konkurrenz zweier Organismen ist. Auf einer Forschungsfahrt von einer Woche ist nicht greifbar, woran andere Monate und Jahre arbeiten. Gerade aber der Kontakt mit diesen Profi-Forschern hat für uns viel zum Verständnis unseres wissenschaftlichen Problems, aber auch dem Vorgehen bei biologischer Forschung beigetragen. Zu erleben, wie die Arbeit zunächst einmal von ganz banalen Dingen abhängt geeignetem Wetter, einem Käscher mit richtiger Maschenweite, der Menge an vorhandenem Treibgut war für uns eine neue Erfahrung. Deutlich wurde auch, dass mit der Zahl unserer Proben nur ein Hinweis oder eine Vermutung angestellt werden kann. Als wissenschaftliche Belege können sie nicht gelten. Trotzdem konnten wir mit diesem Projekt wissenschaftlicher Forschung viel näher kommen, als wir bisher Gelegenheit hatten. Mit unserem Ergebnis können wir in Ansätzen die Forschungen der Biologischen Anstalt Helgoland und von Dr. Lars Gutow nachvollziehen und bestätigen. Die Hoffnung, auf der Reise eigenständig Forschen zu können, die Bedingungen auf einem Forschungsschiff zu erleben und vom Kontakt mit Wissenschaftler zu profitieren, wurde für uns erfüllt. Simon Kerbusk, David Probandt, Jan Wedemeyer Wir möchten uns bedanken...für die Unterstützung bei der Ausarbeitung der Projektskizze und der Vorbereitung der Reise bei Prof. Angelika Brandt Kerstin Froehner Dr. Stephan Gollasch...für die gemeinsame Arbeit und die tolle Atmosphäre auf der Aldebaran bei Linda Ippers Dr. Patrick Wetzel...für die wissenschaftlichen Tipps und die Gastfreundschaft in der Biologischen Anstalt Helgoland bei Karin Boos Prof. Friedrich Buchholz Prof. Heinz-Dieter Franke Susanna Knotz Besonderen Dank an Das Zentrum für Marine und Atmosphärische Wissenschaften Frank Schweikert und das Team der Aldebaran