Die „Sonne“ stand am Anfang der Tiefsee

Die „Sonne“ stand am
Anfang der Tiefseeforschung im Roten Meer
Vor mehr als 30 Jahren begann Senckenberg
seine Untersuchungen im Roten Meer –
wichtige biologische Grundlagenforschung,
die auch heute noch von hoher Relevanz ist.
von Michael Türkay & Hjalmar Thiel
In den Jahren 1977 bis 1987 nahm Senckenberg an vier Forschungsfahrten ins Rote Meer teil. Sie
dienten der Erfassung von Häufigkeit und Artenzusammensetzung der benthischen Makro- und
Megafauna im Kontext einer ersten Abschätzung von Einflüssen des Tiefseebergbaus auf die Umwelt
bei der Gewinnung erzhaltiger Schlämme aus dem Atlantis-II-Tief. Die besonderen hydrografischen
Bedingungen des Roten Meers bewirken einzigartige Lebensgemeinschaften, die sonst an keinem
anderen Ort der Ozeane zu finden sind. Dieser Sonderstellung muss bei der Risikoabschätzung des
großskaligen industriellen Eingriffs in das Ökosystem Rechnung getragen werden.
Einzigartige Lebensbedingungen im Roten Meer
p
Abb. 1
F. S. „Sonne“ vor dem
Umbau im Jahr 1991.
Foto: RF-Reederei­
gemeinschaft Forschungsschifffahrt, Bremen
28
Das Rote Meer ist ein ganz besonderer Wasserkörper, nicht
nur wegen seiner hohen Salzgehalte und Temperaturen im
Bereich der Oberfläche, sondern auch aufgrund der physikalischen Eigenschaften seiner Tiefsee (Braithwaite 1987). Bis
zum Boden des Zentralgrabens betragen die Wassertemperaturen 21,5 °C. Im Weltozean dagegen herrschen in dieser
Tiefe etwa 2 °C. Es gibt weltweit nur noch ein weiteres
Nebenmeer, in dem höhere Temperaturen herrschen als in
den Ozeanen: das Mittelmeer. Es weist bis in seine größten
Tiefen, die um 5300 Meter liegen, Wassertemperaturen von
13,5 °C auf. Sowohl das Rote Meer als auch das Mittelmeer
sind durch hohe Schwellen vom Indischen bzw. Atlantischen
Ozean getrennt, sodass das Tiefseewasser des Weltmeers
nicht in sie eindringen kann. Beide haben einen Ausstrom von
Tiefenwasser in den Ozean, der Einstrom findet nur an der
Oberfläche statt. Aus diesen Gründen kann sich das Tiefsee-
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wasser in den Becken dieser Nebenmeere nur durch Absinken
des in den Wintermonaten abgekühlten Oberflächenwassers
bilden. Es kann daher nicht kälter sein als die Temperatur der
Oberflächenschicht in der kältesten Jahreszeit.
Eine besondere und einmalige Tierwelt
Diese besonderen hydrografischen Bedingungen im Roten
Meer haben zwangsläufig eine einmalige Zusammensetzung der Tierwelt zur Folge. Dies wurde bereits im
19. Jahrhundert bei frühen Expeditionen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften mit S. M. S. „Pola“
(1895/96 und 1897/98) deutlich. Allerdings erkannten die
Wissenschaftler das damals noch nicht als eine typische
Eigenschaft der Tiefsee des Roten Meers, sondern sie sahen
es als einen methodischen Misserfolg an. Erst mehr als 70
Jahre später, nach Intensivierung der biologischen Tiefseeforschung Ende der 1970er Jahre, wurde immer deutlicher,
dass die Besonderheiten des Roten Meeres einer genaueren Untersuchung bedurften.
der Fischtrawler „Sonne“ zum Forschungsschiff umgebaut
worden (Abb. 1) und so konnten wir bereits im Jahr 1977
auf der zweiten Reise unsere Studien im Roten Meer aufnehmen. Die Kampagne lief unter dem Namen MESEDA I
(Metalliferous Sediments Atlantis-II-Deep). Es folgten zwei
weitere Expeditionen: MESEDA II (1979) und MESEDA III
(1981) mit F. S. „Valdivia“. Das damals gesammelte Material bildete den Grundstock für die ersten Untersuchungen
und eine weitere, rein wissenschaftlich ausgerichtete
Expedition mit F. S. „Meteor“ (Me-5, 1987). Diese vier Expeditionen haben unsere Kenntnisse der Tiefseefauna des
Roten Meers wesentlich erweitert und die Besonderheiten
dieses Nebenmeers hervortreten lassen.
Die Gelegenheit zu solchen Arbeiten ergab sich im Rahmen
von Explorationsfahrten zur geplanten Erzschlammförderung
aus einem der tiefen Becken des Roten Meers, dem Atlantis-II-Tief, durch die deutsche Firma Preussag im Auftrag der
Anrainerländer Saudi-Arabien und Sudan. Das Institut für
Hydrobiologie und Fischereiwissenschaft der Universität
Hamburg wurde in Zusammenhang mit diesem Tiefsee-Bergbauprojekt mit der Untersuchung zur Umweltverträglichkeit
betraut. Für die Beschreibung der Biodiversität wurde das
Forschungsinstitut Senckenberg beteiligt. Kurz zuvor war
Das Rote Meer weist viele steile Hänge und rauen Untergrund
auf. Wir mussten aber genau wissen, wo glatte und möglichst
ebene Flächen vorliegen, damit wir zum einen unsere wertvollen Geräte nicht beschädigten oder sogar verlören und zudem
auch möglichst repräsentative Abschnitte des Meeresbodens
beprobt werden konnten. Es war also notwendig, den Untergrund vor Beginn der eigentlichen Sondierungen sehr genau
mithilfe von Flächenloten zu kartieren, damit geeignete Flächen identifiziert werden konnten, auf denen Schleppgeräte
zu fahren waren. Trotzdem kam es häufig zu Hakern und zur
Beschädigung der Geräte. Insgesamt waren wir mit unseren
Fängen jedoch sehr erfolgreich. Mithilfe eines Fotoschlittens
(Thiel 1970) führten wir eine fotografische Kartierung des
Meeresbodens durch (Abb. 4). Zur Erfassung der im Boden
lebenden Fauna setzten wir Backengreifer und Kastengreifer ein. Eine Besonderheit war die große Fotofalle (Abb. 2).
Darin platzierten wir einen Köder, der auch sehr mobile Arten
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Abb. 2–4
Oben: Die Fotofalle wird
ausgesetzt. Aufnahme:
Michael Türkay
Mitte: Fotofalle am Grund
des westlichen zentralen
Roten Meers in 740 m Tiefe
mit einem gefangenen Tiefsee-Aal der Art Muraenesox
cinereus.
Aufnahme: Hjalmar Thiel
Unten: Fotoschlittenaufnahme des Meeresbodens des
zentralen Roten Meers mit
Sedimenttrichtern, deren
Entstehung unbekannt ist.
Aufnahme: Hjalmar Thiel
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anlockte, sodass auch etliche Arten an Deck gebracht wurden, die wir auf andere Weise nicht hätten fangen können.
Durch eine eingebaute Kamera konnten wir dokumentieren,
wie sich die Organismen näherten und schließlich „in die
Falle“ gingen (Abb. 3).
Die erzielten Ergebnisse betonen die Einzigartigkeit der
Tierwelt dieses Tiefseegebiets (Türkay 1996). Aufgrund der
hohen Temperaturen fehlen sämtliche kalt-angepassten
typischen Tiefseeorganismen der Ozeane. Stattdessen
kommt es bei Arten, die auch im flacheren Wasser vorkommen, zu einer Subduktion, das heißt zu einem Eindringen in
für sie ungewöhnlich große Meerestiefen. Im Roten Meer
erreichen sie dadurch ihre weltweit größten Tiefen. Dies gilt
auch für Arten, die zwar nur in der Tiefsee des Roten Meers
vorkommen, aber zu Gruppen gehören, die sonst in flacheren
Meerestiefen beheimatet sind. Solche nur im Roten Meer
vorkommenden Endemiten machen einen hohen Prozentsatz
der Tierwelt des Gebiets aus. Ihr Anteil an der Gesamtfauna
liegt bei 30 Prozent.
Ursprünglich glaubten wir, dass viele Rotmeer-Arten im
angrenzenden Golf von Aden ebenfalls leben könnten. Während der Reise „Meteor-5“ wurden wir aber eines Besseren
belehrt. Keine der uns zuvor aus dem Roten Meer bekannten
Arten war in entsprechenden Tiefen zu finden, stattdessen
erbeuteten wir immer nur die „normale“ kalt-angepasste
Tiefseefauna, wie sie im Indischen Ozean vorkommt. Davon
gab es eine Ausnahme: Rotmeer-Arten wurden auch im
innersten Teil des Golfs von Aden gefunden, dort wo das
ausfließende, wärmere Rotmeer-Tiefenwasser noch in Kontakt mit dem Meeresboden war und damit Bedingungen
wie in der Tiefsee des Roten Meers vorherrschten (Abb. 5
und 6). Seither sind wir sicher, dass die Rotmeer-Endemiten
nicht nur dem Rotmeer-Becken zuzuordnen, sondern Endemiten des Rotmeer-Wassers sind. Das erklärt auch, wie die
Rotmeer-Tiefseefauna Krisenzeiten im Pleistozän mit sehr
hohen Salzgehalten (s. Almogi-Labin et al. 1991) überleben
konnte. Die Tiere müssen in Refugien außerhalb des Rotmeer-Beckens überdauert und dieses dann erneut besiedelt
haben.
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Wärmeliebende Arten in ungewöhnlichen Tiefen
q
Abb. 5/6
Links: Verbreitung der
Grundgarnele Pontocaris
profundior im Roten Meer
und im unmittelbar
angrenzenden inneren
Golf von Aden
Rechts: Grundgarnele
Pontocaris profundior, ein
Endemit des RotmeerTiefseewassers.
Foto: Michael Türkay
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Völlig andere Fauna als in der Nachbarschaft
q
Abb. 7/8
Oben: Lage des Atlantis-II-Tiefs im zentralen Roten Meer.
Unten: Der Solitäreinsiedler Solitariopagurus profundus
kommt nur in der Tiefsee des Roten Meers vor und hat verkleinerte Augen, alle verwandten Arten haben stark vergrößerte Augen. Foto: Michael Türkay
Ein außergewöhnliches Labor der Evolution
Auf eine solche pulsierende Wiederbesiedlung mit
anschließender Isolation und Artbildung deuten auch die
verwandtschaftlichen Beziehungen der Faunenelemente
hin. Vier Verwandtschaftsgrade lassen sich unterscheiden:
• A
rten, die identisch sind mit solchen des Indischen Ozeans,
• Arten, die sich nur wenig von ihren Verwandten im Indischen Ozean unterscheiden, meist nur als Unterarten
oder Schwesterarten,
• Arten, die von ihren Verwandten im Indischen Ozean gut
zu unterscheiden sind, deren Abstand jedoch von anderen Arten innerhalb einer Gattung nicht größer ist als der
anderen Angehörigen untereinander,
• Arten, deren Position und Verwandtschaft klar sind, die
sich aber sehr wesentlich von denen derselben Verwandtschaftsgruppe unterscheiden, z. B. durch Anpassungen
an die Verhältnisse in der Tiefsee wie reduzierte Augen
und besonders lange Antennen (Abb. 6 und 8).
Diese Gruppen deuten auf eine schrittweise Differenzierung
hin und könnten in unterschiedlichen Perioden der Isolation
und Wiederbesiedlung entstanden sein. Insofern ist die
Tiefsee des Roten Meers auch ein evolutionsbiologisches
Labor, in dem man sowohl Artbildung als auch Tiefseeanpassungen studieren kann, die im Roten Meer sehr viel
später abgelaufen sind als im Weltozean. Besonders
spannend wäre es, diese Differenzierungsfrage mit molekulargenetischen Methoden nachzuzeichnen und da­durch auch
die Zeitskalen zu konkretisieren, auf denen diese Prozesse
abgelaufen sind. Solche Methoden standen uns damals
noch nicht zur Verfügung.
Tiefseebergbau und Umweltschutz im Roten Meer
Dieser besondere Lebensraum mit seiner einmaligen Fauna
soll Aktionsplatz des Tiefseebergbaus werden. Schon in
den 1960er Jahren war das Atlantis-II-Tief westlich von
Jeddah in 2000 Metern Tiefe entdeckt worden (Abb. 7).
Der Boden dieser Depression im Zentralgraben des Roten
Meeres ist mit einer bis zu 30 Meter dicken Schicht erzhaltiger Schlämme bedeckt und diese wiederum von einer
200 Meter mächtigen Sole überschichtet: Temperatur über
60 °C, Salzgehalt bis siebenmal so hoch wie normales Seewasser, Oberfläche des Solekörpers: 55 km². Vor Ende des
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Abbaumenge (in t)
100 000
Feststoffanteil von Zeile 1 (in t)
10 000
Verdünnung mit Tiefen- und Oberflächenwasser (in t)
Rückführung des Wassers mit den Feststoffen, erhöhtem Salzgehalt und
gelösten Stoffen, wie z. B. Schwermetallen (in %)
Organismen aus dem eingespeisten Oberflächenwasser (in kg)
3
97
100
60
Jahrzehnts und in den nachfolgenden Jahren wurden Prospektionsfahrten unternommen. Diesen folgte im Zeitraum
1977 bis 1981 die Explorationsphase mit den RohstoffForschungsschiffen „Sonne“ und „Valdivia“, durchgeführt
von der deutschen Firma Preussag im Auftrage der SaudiSudanese Commission for the Exploitation of the Red Sea
Resources. Vom Beginn dieser Phase an waren Untersuchungen zur Abschätzung möglicher Umweltschäden durch
den Abbau der Erzschlämme eingeplant. Wegen sinkender
Metallpreise wurde das Vorhaben 1981 jedoch vorzeitig
eingestellt und der Bericht über die Umweltuntersuchungen
nicht mehr publiziert. Kurze Darstellungen einiger Ergebnisse
wurden von Karbe (1987), Thiel (1987) und Weikert (1987)
sowie von Schriever und Thiel (2013) publiziert. Der gesamte
Bericht ist seit 2011 auf der Homepage von Senckenberg
online verfügbar (www.senckenberg.de/MESEDA).
der Erzschlämme dürften weit höher liegen als diejenigen,
die vor 30 Jahren als ökonomisch rentabel angenommen
worden sind. Man ging damals davon aus, dass Tag für Tag
rund 100 000 Tonnen Erzschlamm gefördert und der Abraum
anschließend mit der dreifachen Menge an Wasser und
Sole verdünnt wieder ins Rote Meer zurückgepumpt werden
sollten (Tab. 1).
Die Industrie wollte diese Mengen an Abraum und Wasser
ursprünglich in die Meeresoberflächenschichten einleiten.
Schon 1977 haben die Ökologen die Einleitung in große
Tiefen gefordert. Nach anfangs heftiger Ablehnung von
Seiten der Industrie entwickelten sich später Akzeptanz für
die Einleitung in über 1000 Meter Wassertiefe (Vermeidung
von Störungen in den Küstenregionen, der Korallenriffe und
der biologisch aktiveren Zonen bis in 850 m Tiefe) und gute
Zusammenarbeit mit Modellqualität.
Gute fachliche Praxis verlangt neue Untersuchungen
Die vor Jahrzehnten angestellten Überlegungen zum Ausmaß der Eingriffe durch einen Rohstoffabbau können
allerdings keinesfalls einfach auf die heutigen Verhältnisse
übertragen werden. Abbaumethoden und Fördertechniken
haben sich weiterentwickelt und die damals geschätzten
Werte zu Massentransporten durch den geplanten Abbau
Die Forschungsarbeiten vor über 30 Jahren erfolgten unter
Verwendung der damals üblichen numerischen Modellrechnungen für Schlamm- und Wassertransporte sowie
Beobachtungs- und Messmethoden. Schon in dem Bericht
von Karbe et al. (1981/2011) wurden weiterführende Studien gefordert (Thiel, Karbe & Weikert 2015). Nach den
enormen Entwicklungen in den Geräte- und Auswertungstechniken mit ferngesteuerten Robotern, leistungsfähigeren
Computern und fortgeschrittenen numerischen Modellen
während der letzten drei Jahrzehnte muss die heutige Industrie als Verursacher potenzieller Störungen des Ökosystems
neue Forschungen initiieren und finanzieren. Eine junge
Forschergeneration muss die Fragen nach potenziellen
Schäden durch den Abbau der Erzschlämme und die Rückführung der „Tailings“ (Abraumwasser und Schlamm) erneut
aufgreifen und auch die möglichen Auswirkungen bewerten: Wohin treiben die rückgeleiteten Schlammmassen?
Wie groß ist die Fläche, auf der sie abgelagert werden?
Wie verhalten sich die im Rückleitungswasser gelösten
Stoffe (z. B. Schwermetalle)? Kommen oberhalb des Solekörpers hydrothermale Quellen vor? Gibt es an den Hängen
des Tiefs oberhalb des Solekörpers eine besondere Fauna,
vergleichbar derjenigen an Hydrothermalquellen? Welche
Mikroorganismen leben in der Sole und in der Grenzschicht
zum normalen Tiefenwasser? Wird die einzigartige Fauna
in diesem einzigartigen Lebensraum teilweise vernichtet?
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Alte Pläne könnten wieder aufgenommen werden
Im Jahr 2010 erwarb die kanadische Firma Diamond Fields
in Kooperation mit der saudischen Firma Manafa die
Erkundungs- und Abbaulizenzen für den langen Zeitraum
von 30 Jahren. Bisher ist nicht bekannt, wann weitere
Explorationsarbeiten beginnen und ob überhaupt weitere
Untersuchungen zur Abschätzung von Auswirkungen auf die
Umwelt geplant sind.
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Tab. 1
Tägliche Abbaumengen und Einträge
bei der Erzschlammförderung im Roten
Meer. Planzahlen nach Abschätzung der
Wirtschaftlichkeit zum Ende der 1970er
Jahre.
300 000
Konzentration der Erzkomponenten an Bord des Abbauschiffs (in %)
Rückführung der Feststoffe in den Lebensraum (in %)
t
Die Autoren
Prof. Dr. Michael Türkay hat an der Goethe-Universität in Frankfurt Biologie und Chemie
studiert und leitet am Senckenberg Forschungsinstitut die Abteilung Marine Zoologie. 2008
wurde er zum apl. Professor am Fachbereich Biowissenschaften der Goethe-Universität
ernannt. Sein Forschungsinteresse gilt vor allem der Taxonomie, Systematik und Ökologie der
Krabben (Brachyura) sowie meeresökologischen Themen. Im vorliegenden Übersichtsaufsatz
berichtet er über seine Forschungsergebnisse in diesem einmaligen Lebensraum.
Prof. Dr. Hjalmar Thiel hatte bis 1998 eine Professur für Biologische Ozeanografie am Institut für Hydrobiologie und Fischereiwissenschaft der Universität Hamburg. Er befasste sich
mit der ökologischen Erforschung des Tiefseebenthos, insbesondere mit den Umweltrisiken
des geplanten Tiefseebergbaus. Dieses Thema beschäftigt ihn auch heute noch. In der Zwischenzeit hat er sich für die Ausweisung von Schutzgebieten in den Bereichen der Hohen
See eingesetzt.
Kontakt (korresp. Autor): Prof. Dr. Michael Türkay, Senckenberg, Gesellschaft für Naturforschung, Senckenberg­anlage 25, D-60325 Frankfurt a. M.; [email protected]
Neutrale Grundlagenforschung ist die Basis
Dies sind einige der Fragen, die frühzeitig vor einem Abbau
der Erzschlämme beantwortet und bewertet werden
müssen. Es bleibt zu hoffen, dass sich – wie in der Vergangenheit – eine gute Zusammenarbeit zwischen Industrie,
Wissenschaft, Administration und Politik entwickeln wird.
Alle Beteiligten müssen sich darüber im Klaren sein, dass
die Öffentlichkeit, vertreten durch die großen international
agierenden Naturschutzorganisationen, alle Eingriffe in die
Ozeane und Meere beobachten und hinterfragen wird.
Ein Weiteres zeigt sich in aller Deutlichkeit: Ohne Grundlagenforschung lassen sich solche angewandten und
gesellschaftlich relevanten Fragen nicht beantworten. Die
Krux ist, dass prinzipiell nicht voraussagbar ist, wann dieses
Wissen abgerufen wird, also zur Verfügung stehen muss.
Mittlerweile sind wir in der glücklichen Lage, auf spezielle
Fragen zur Biodiversität und Einmaligkeit einer Lebens-
gemeinschaft oder eines Lebensraums mindestens für
Schlüsselgruppen des Ökosystems „Tiefsee Rotes Meer“
Antworten parat zu haben, die im Rahmen zweckfreier Forschung gewonnen wurden.
Dank
Unsere wissenschaftlichen Arbeiten im Roten Meer wurden
unterstützt von der Red Sea Commission, vom damaligen Bundesministerium für Forschung und Technologie
(BMFT) sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
Allen drei Organisationen gilt unser Dank. Harald Bäcker,
Projektleiter der MESEDA-Fahrten von der damaligen
Preussag-Meerestechnik, zeigte großes Verständnis für
unsere Grundlagenforschung und förderte sie nach Kräften.
Das Einstiegsbild dieses Beitrags stellte die RF-Reedereigemeinschaft Forschungsschifffahrt in Bremerhaven zur
Verfügung. Für die Abdruckgenehmigung danken wir dem
Geschäftsführer Herrn Niels Roggemann.
Schriften
Almogi-Labin, A., Hemleben, C., Meischner, D. & Erlenkeuser, H. (1991): Paleoenvironmental events during the last 13 000 years in the central Red Sea as recorded by
& Braithwaite, C. J. R. (1987): Climate and oceanography. – In: Edwards, A. J. & Head, S. M. [Hrsg.]: Key environments:
Pteropoda. – Paleoceanography, 6: 83–98. & Karbe, L. (1987): Hot brines and the deep environment. – In: Edwards, A. J. & Head, S. M. [Hrsg.]: Key environments:
Red Sea: 22–44; Oxford (Pergamon Press). & Karbe, L., Thiel, H. Weikert, H. & Mill, A. J. B. [Hrsg.] (1981/2011): Mining of metalliferous sediments from the Atlantis II
Red Sea: 70–89. Oxford (Pergamon Press). Deep, Red Sea. Pre-mining environmental conditions and evaluation of the risk to the environment. Environmental Impact Study. Presented to the Saudi Sudanese Red
& Schriever, G. & Thiel, H. (2013): Tailings and their disposal in deep-sea mining.
Sea Joint Commission. Hannover, 352 S. Auch in: www.senckenberg.de/MESEDA. & Thiel, H. (1970): Ein Foto­
– In: Proceedings of the Tenth (2013) ISOPE Ocean Mining and Gas Hydrates Symposium, Szczecin, Poland, September, 22–26: 5–17. & Thiel, H. (1987): Benthos of the deep Red Sea.
schlitten für die biologische und geologische Kartierung des Meeresbodens. – Mar. Biol., 7(3): 223–229, Abb. 1–9. & Thiel, H., Karbe, L. & Weikert, H. (2015): Environmental
– In: Edwards, A. J. & Head, S. M. [Hrsg.]: Key environments: Red Sea: 112–127; Oxford (Pergamon Press). risk of mining metalliferous muds in the Atlantis II Deep, Red Sea. – In: Rasul, N. & Stewart, J. C. F. [Hrsg.]: The Red Sea. The formation, morphology, oceanography and
& Türkay, M. (1996): Composition of the deep Red Sea macro- and
environment of a young ocean basin: Springer earth system sciences; Berlin (Springer). – Im Druck. megabenthic invertebrate fauna. Zoogeographic and ecological implications. – In: Uiblein, F. , Ott, J. & Stachowitsch, M. [Hrsg.]: Deep-sea and extreme shallow water
& Weikert, H. (1987):
habitats: affinities and adaptations. – Biosystematics and Ecology series, 11: 43–59; Wien (Österreichische Akademie der Wissenschaften). Plankton and the pelagic environment. – In: Edwards, A. J. & Head, S. M. [Hrsg.]: Key environments: Red Sea: 90–111; Oxford (Pergamon Press).
SENCKENBERG – natur • forschung • museum 145 (1/2) 2015
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