Räuber-Beute-Beziehungen zwischen Bakterien und ihren eukaryotischen Räubern werden seit langem in der terrestrischen Ökologie untersucht, jedoch werden die Interkationen zwischen Mikroeukaryoten oft vernachlässigt. Mikroalgen nehmen eine Schlüsselposition als phototrophe Organismen in den marinen und Süßwasserökosystemen der Antarktis und Arktis ein; die meiste Energie und die meisten Nährstoffe werden durch diese zu höheren trophischen Ebenen kanalisiert. In diesem Kontext fehlen Studien in den terrestrischen Ökosystemen der Antarktis. Die terrestrische Vegetation der Antarktis wird dominiert durch kryptogamen Bewuchs mit einer Vielzahl und hoher Abundanz von Mikroalgen. Bis zu 55% des eisfreien Bodens der antarktischen Halbinsel und bis zu 70% im arktischen Spitzbergen werden von biologischen Bodenkrusten (Biokrusten) bedeckt. Diese Zahlen werden zukünftig auf Grund des Klimawandels und der daraus folgenden Erwärmung der Polarregionen steigen (“Arctic Greening”). Man kann daher annehmen, dass ein großer Anteil der Primärproduktion in den Polarregionen durch Mikroalgen in Biokrusten realisiert wird. Dennoch fehlt die Verbindung zu höheren trophischen Ebenen; insbesondere, wenn man bedenkt, dass in der Antarktis algenfressende Metazoen selten und artenarm sind. Cercozoa sind eine der häufigsten algenkonsumierenden einzelligen Eukaryoten (Protisten) in terrestrischen Systemen; vorläufige Ergebnisse zeigen: algenkonsumierende Cercozoa dominieren die mikrobielle Gemeinschaft in den Biokrusten der Polarregionen. Wir werden zum ersten Mal die Räuber-Beute-Beziehung in Biokrusten zwischen den Algen als Primärproduzenten und den wichtigsten Algenkonsumenten erforschen, um so ein vollständigeres Bild des terrestrischen Nahrungsnetzes in den beiden Polarregionen zu erhalten. Um das zu erreichen, kombinieren wir einen Barcode-basierten Hochdurchsatz-Illumina Ansatz mit klassischen Kulturexperimenten, welche Aufschluss über ökologische Funktionen der einzelnen Organismen liefern. Damit erhalten wir erstmalig ein umfassendes Bild der Räuber-Beute-Beziehung zwischen Mikroalgen und ihren Räubern, den Cercozoa, für das terrestrische Ökosystem in Arktis und Antarktis. Diese Daten werden zur Beantwortung der folgenden Fragen beitragen: Wie wichtig ist das terrestrische Nahrungsnetz in den Polarregionen? Und hat die Klimaerwärmung das Potential diese Interaktionen zu verändern?
Die Effizienz des Beuteerwerbs bestimmt, ob Tiere erfolgreich Nachkommen großziehen und gleichzeitig ihre eigene Körperkondition erhalten und Prädation vermeiden können, ob sie also eine hohe Fitness (gemessen als lebenslangen Fortpflanzungserfolg) erreichen können. Die Effizienz des Beuteerwerbs könnte auch Auswirkungen auf die Dynamik von Tierpopulationen haben: an Orten mit geringen energetischen Kosten sollte ein Populationszuwachs zu verzeichnen sein, während erhöhte Nahrungssuchkosten eher zu einer Populationsabnahme führen sollten. Es gibt zahlreiche Studien zum Beuteerwerb von Tieren, die sich darauf konzentrieren, die räumliche Verteilung der Tiere zu beschreiben. Dagegen sind die Mechanismen, die zu dieser Verteilung führen, weitgehend noch nicht untersucht. Diese Lücke könnte durch den Einsatz neuer Methoden in der Analyse von Tierbewegungen geschlossen werden. Durch den Einsatz von dreidimensionalen Beschleunigungsmessern können Daten des Habitats mit Beschleunigungsdaten der Tierbewegungen verschnitten werden. Die energetische Kosten der Bewegungen im potentiellen Beuteraum werden berechnet, und in eine Energie-Landschaft (Energy landscape) übertragen. Ich schlage hier vor, diese neue Technologie und Methodik anzuwenden, um den Einfluss der Effizienz des Beuteerwerbs auf die Dynamik von Tierpopulationen zu untersuchen. Ich werde Energielandschaften für Eselspinguine als Modellart für einen Antarktischen Prädator modellieren, der sehr erfolgreich auf jüngste Umweltveränderungen reagiert hat. Ich werde untersuchen, wie sich die Effizienz des Beuteerwerbs zwischen Populationen im optimalen Habitat (Antarktische Halbinsel, Populationszuwachs) und suboptimalen Habitat (Falklandinseln, stark schwankende Populationen) unterscheidet. Durch den Vergleich der Nutzung von Energielandschaften werde ich untersuchen, welche Bedingungen zu hoher Körperkondition und Fortpflanzungserfolg der Eselspinguine führen und die erfolgreiche Expansion der Art in antarktischem Habitat ermöglichen. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, zu verstehen, wie Tiere auf veränderte Umweltbedingungen reagieren, wie sie derzeit durch die Einflüsse des Klimawandels entstehen.
Terrestrische Grünalgen sind typische und häufige Komponenten biologischer Bodenkrusten der Polarregionen. Biologische Bodenkrusten bilden wasserstabile Aggregate und üben ökologisch wichtige Funktionen hinsichtlich Primärproduktion, Stickstofffixierung, Nährstoffkreislauf, Wasserretention und Bodenstabilisierung aus. Obwohl kaum Daten über Grünalgen in der Arktis und Antarktis vorliegen, wird ihre funktionelle Bedeutung als Ökosystem-Entwickler nährstoffarmer Gebiete als sehr hoch eingeschätzt. Die Biodiversität der Algen und Cyanobakterien polarer Bodenkrusten ist in den letzten Jahren zum ersten Mal von uns mit klassischen und molekularen Methoden (Metatranskriptomik und Metabarcoding) untersucht worden. In dem neuen Projekt wollen wir nun den physiologischen Zustand von Bodenkrusten der Antarktis aus Metatranskriptomen ermitteln. Dazu wollen wir die Sequenzen der Metatranskriptome einzelnen Arten (Gattungen, Familien oder anderen systematischen Kategorien) zuordnen und funktionell qualitativ und quantitativ untersuchen. Neben Datenbankvergleichen (KOG, KEGG, GO) können die spezifischen Submetatranskriptome auch mit den unter unterschiedlichen Laborbedingungen (Flüssigkultur/Agarplatten Kultur, Trockenstress, Temperaturstress, Lichtstress) gewonnenen Transkriptomen von Klebsormidium und sowie den in diesem Projekt geplanten neuen Transkriptomen je zweier antarktischer Klebsormidium und Coccomyxa Arten verglichen werden. Diese Daten werden erstmals einen molekularen Einblick in die Physiologie arktischen Arten in-situ im natürlichen Habitat zum Zeitpunkt der Probennahme und die Identifizierung von Schlüsselgenen für das Überleben in der Antarktis ermöglichen.
Die Polynya Signature Simulation Method (PSSM) und das Ice Edge Detection (IED)-Verfahren erlauben es, aus Daten des satellitengetragenen Mikrowellenradiometers Special Sensor Microwave/ Imager (SSM/I) Polynjenfläche und Eiskante mit einer Genauigkeit von 100km2 bzw. 10km zu bestimmen. Mit dem PSSM-Verfahren soll die gesamte Polynjenfläche der Antarktis für jeden Tag des Zeitraums 1992-2006 aus SSM/I-Daten mehrerer Satelliten berechnet werden. Dabei ist ab 1995 die Ableitung eines Tageszyklus möglich. Meteorologische Daten sollen in Kombination mit Satellitenmessungen im sichtbaren und infraroten Spektralbereich dazu dienen, für diese Polynjenfläche Eis- und Salzproduktion sowie typische Dicke und Ausdehnung des an die Polynjenfläche angrenzenden dünnen Meereises abzuschätzen. PSSM und IED sollen auf Daten des neuen und feiner auflösenden passiven Mikrowellensensors Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR/AMSR-E) auf AQUA und ADEOS-2 übertragen werden, um einerseits die minimale Größe detektierbarer Polynjen und Leads herabzusetzen und andererseits die Eiskante mit einer höheren Genauigkeit zu detektieren (4km statt 10km). Die niederfrequenten AMSR(-E)-Kanäle (6.9 und 10.7GHz) sollen hinsichtlich ihrer Nutzung für die Abschätzung der Dicke von dünnem Meereis untersucht werden.
Die jahreszeitliche Variabilität der globalen Meereisbedeckung ist eine wichtige Komponente des globalen Klimas. Jedoch ist der kleinskalige Einfluss des Meereises in globalen Klimamodellen bis heute nur unzureichend beschrieben. Dieser Antrag hat daher das Ziel, die physikalischen (P) und bio-geo-chemischen (BGC) Schlüsselprozesse im Meereis mit einem hochaufgelösten Zweiskalenmodell mathematisch zu beschreiben. Die Ergebnisse können dann parametrisiert in globale Klimamodelle (GCMs) einfließen, sodass eine verbesserte Prognosefähigkeit erreicht wird.Die Ozeanerwärmung wird die Mikrostruktur des Meereises erheblich verändern. Wir entwickeln daher ein P-BGC-Modell einer antarktischen Meereisscholle, um die komplexen gekoppelten Zusammenhänge zwischen Eisbildung, Nährstofftransport, Salinität und Solekanalverteilung, Photosynthese und Karbonatchemie mathematisch zu beschreiben. Damit simulieren wir verschiedene Szenarien der Meereisbildung und ihrer Auswirkungen auf das Wachstum von Meereisalgen, die einen großen Einfluss auf den vertikalen Kohlenstoff-Export (biologische Kohlenstoffpumpe) besitzen.Damit leistet dieses Projekt einen wesentlichen Beitrag zum Forschungsschwerpunkt ‘3.2.D - Verbessertes Verständnis der polaren Prozesse und Mechanismen’ bei. Im Einzelnen gehen wir auf drei übergeordnete Ziele ein:Schritt 1: Beschreibung der Meereisstruktur Wir verwenden ein gekoppeltes Zweiskalenmodell, mit dem relevante Aspekte des Gefrierens und Schmelzens im Zusammenhang mit Deformation, Salinität und Soletransport beschrieben werden. Auf der Makroebene dient dafür eine kontinuumsmechanische Beschreibung im Rahmen der erweiterten Theorie poröser Medien (eTPM). Damit können über einen gekoppelten Gleichungssatz partieller Differentialgleichungen (PDE) Deformations-, Transport und Reaktionsprozesse beschrieben werden. Für das physikalische Phänomen der Phasentransformation zwischen Wasser und Eis dient das Phasenfeldmodell (PF) als Mikromodell, welches ebenfalls aus gekoppelten PDEs besteht. Daraus resultiert eine PDE-PDE Kopplung.Schritt 2: Kopplung mit dem erweiterten RecoM2 Modul als Mikromodell Damit können die BGC Phänomene beschrieben werden. Das RecoM2 Modul besteht aus einem Gleichungssystem gewöhnlicher Differentialgleichungen, sodass hier eine PDE-ODE Kopplung zu einem P-BGC Modell erfolgt. Schritt 3: Bewertung der Modellansätze Dies beinhaltet die Verifizierung und Validierung des kombinierten P-BGC-Modells mittels Literatur- sowie experimenteller Daten. Für die Verwendung des hochaufgelösten zweiskaligen P-BGC Modells in globalen Klimamodellen muss die Berechnungseffizienz gesteigert werden. Zu diesem Zweck werden Reduzierte-Basis-Modell (ROM) zur Erzeugung von Surrogaten des Vollen-Basis-Modells (FOM) eingesetzt, die die Modellkomplexität verringern, z.B. durch datengetriebene Machine-Learning (ML)-Techniken oder “Generalized Proper Decomposition” (GPD).
Wirbeltiere sind mit einer großen Zahl von Mikroorganismen assoziiert. Diese mikrobiellen Gemeinschaften tragen um Größenordnungen mehr Gene als ihre Wirte und erfüllen Funktionen, die im Genom des Wirts nicht kodiert sind. Der Magen-Darmtrakt zeichnet sich durch ein sehr diverses Mikrobiom aus. Beim Menschen wird eine verminderte mikrobielle Vielfalt im Darm mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter Autoimmunerkrankungen, Diabetes und Fettleibigkeit. Über die Beziehung zwischen Darmmikroben und Gesundheit in wild lebenden Wirbeltierpopulationen ist jedoch nur wenig bekannt, da dort eine höhere genetische Variation und eine ausgeprägte Umweltheterogenität die Auswirkungen des Darmmikrobioms auf den Wirt modulieren oder sogar überlagern können. Diese große Lücke in unserem Wissen über die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikrobiom behindert unser Verständnis von Widerstandsfähigkeit und Anpassung von wild lebenden Tieren an den Klimawandel. In diesem Projekt untersuchen wir die antarktischen Pelzrobben und wollen verstehen wie sich Veränderungen im Darmmikrobiom der Tiere auf die Fitness von unterschiedlichen Wildpopulation auswirken. Als Steuergröße wird das verringerte Nahrungsangebot für einige Wildpopulationen genutzt, dass sich durch den Klimawandel in manchen Regionen der Antarktis ergeben hat. Entsprechend untersuchen wir zwei interagierende Umweltstressoren - Nahrungsbeschränkung und soziale Dichte. Das Projekt konzentriert sich auf das kritische Entwicklungszeitfenster zwischen der Geburt und der Ernährungsunabhängigkeit und wird die Auswirkungen wichtiger intrinsischer und extrinsischer Faktoren auf das Darmmikrobiom und sein Zusammenspiel mit mehreren fitnessrelevanten Phänotypen wie Wachstum, Überleben, Stresshormonspiegel, Immunfunktion und Genexpression aufklären. Darüber hinaus wird ein kürzlich entwickelter Einzelnukleotid-Polymorphismus-Array eine robuste Bewertung der modulierenden Auswirkungen des Wirtsgenotyps ermöglichen, einschließlich der vererbbaren genetischen Variation und der genetischen Qualität, ausgedrückt als Inzucht und immunogenetische Vielfalt. Wir stellen die Hypothese auf, dass eine geringere Nahrungsverfügbarkeit die mikrobielle Vielfalt im Darm verringert und die Prävalenz mukolytischer und proinflammatorischer Taxa erhöht, was sich negativ auf die Fitness des Wirts auswirkt. Diese Auswirkungen könnten bei Individuen mit schlechter genetischer Qualität besonders ausgeprägt sein, da diese weniger effektiv in der Lage sind, schädliche Mikroben zu bekämpfen, und dies auch unter stressigen Bedingungen mit hoher Dichte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Kombination von phänotypische Parametern der Individuen mit mikrobiellen Daten, erstmals mechanistische Einblicke in die Wirts-Mikroben-Interaktionen einer Wildtierart möglich werden, was Vorhersagen über langfristige Populationstrends und das Management des empfindlichen Ökosystems des Südlichen Ozeans ermöglicht.
Das Schwerpunktprogramm ist multidisziplinär aufgebaut mit den interdisziplinär verwobenen Schwerpunkten:-- Physik und Chemie von Ozean, Eis und Atmosphäre -- Geowissenschaften -- Biowissenschaften. Die Polarregionen sind von großer Bedeutung für moderne Umweltforschung sowie für die Beurteilung von zukünftigen Klimaänderungen und ihren Folgen. Da die Reaktionen in den Polargebieten schneller erfolgen als in temperierten oder tropischen Zonen, gelten sie als Schlüsselgebiete der Erde. Dies gilt auch für die Lithosphärenforschung sowie für die Erforschung von globalen Klimaereignissen, Ozeanen und der Ökologie. Zudem beeinflussen sie das globale Wettergeschehen und den Wärmehaushalt. Während der letzten 45 Millionen Jahre ist Antarktika durch die Plattentektonik klimatisch und ozeanografisch isoliert worden. Der daraus resultierende Klimaeinfluss schuf den antarktischen Zirkumpolarstrom und die Vereisung beider Pole. Dieser Zirkumpolarstrom bildet das größte Zirkulationssystem der Erde. Er beeinflusst die Bildung von antarktischem Tiefenwasser und ist die Heimat für produktive Meereslebensgemeinschaften, die sich an die Extrembedingungen angepasst haben. Im Weddell- und Rossmeer schieben sich die Schelfeise hunderte Kilometer in das Meer hinaus, wobei die physikalischen und biologischen Prozesse unter ihnen unerforscht sind. Das Wasser unter dem Schelfeis besitzt hohe Dichten und fließt den Hang hinunter, um sich in die Tiefsee zu ergießen, wo es wiederum alle Weltmeere durchströmt. Die natürlichen Schwankungen des Erdklimas sind in marinen Sedimenten und in Eiskernen Grönlands und Antarktikas gespeichert. Überraschende Ergebnisse deutscher Forscher zeigten, dass Klimaumschwünge in Zeitskalen von nur Jahren oder Dekaden erfolgten. Ein anderer Aspekt der Klimaforschung betrachtet die Abnahme des polaren Ozons. Kontinuierliche Messungen belegen, dass die Ozonabnahme einhergeht mit einer Zunahme des schädlichen UV-B. Bedingt durch ihre Geschichte und Lage haben sich gerade an den Polen spezielle Habitate ausgebildet, die besonders empfindlich auf solche Störungen reagieren. Deshalb können Klimaänderungen und ihre Auswirkungen hier eher erkannt werden als in anderen Ökosystemen. Zusätzlich stellt die Antarktis mit ihren Organismen einen wichtigen Anteil der Biodiversität. Polarforschung muss deshalb eine Sonderrolle zukommen bei Themen wie z.B. Kontinententstehung und -zerfall, Klimaarchiv und Sensitivität gegenüber Umweltveränderungen.
Ziel dieses Projektvorhabens ist es, einen Einblick in die räumliche und zeitliche Variabilität des Auftretens von Meereisrinnen im Antarktischen Meereis während der Wintermonate zu erhalten. Meereis-Rinnen zeichnen sich dadurch aus, dass es in ihrem Einflussbereich zu einem starken Austausch von Wärme, Feuchte und Impuls zwischen dem relativ warmen Ozean und der kalten Atmosphäre kommt. In Meereis-Rinnen bildet sich demnach neues, dünnes Eis und trägt damit zur Meereis-Massenbilanz bei. Wir beabsichtigen auf einer Methode aufzubauen, die entwickelt wurde, um Eisrinnen in der Arktis automatisch aus Thermal-Infrarot Satellitendaten zu identifizieren. Diese Methode muss für eine Anwendung auf Satellitendaten der Antarktis neu implementiert und erweitert werden. In diesem Rahmen gilt es auch, hemisphärische Besonderheiten in den Meereiseigenschaften und atmosphärischen Einflüssen zu berücksichtigen. Darum werden Anpassungen im ursprünglichen Algorithmus mit Hilfe detaillierter Fallstudien vorzunehmen sein. Als Ergebnis erwarten wir umfangreiche Erkenntnisse darüber, wann und wo Meereis-Rinnen gehäuft in der Antarktis auftreten, und wie diese Auftrittsmuster durch atmosphärische und ozeanische Antriebe gesteuert werden.
Gelatinöses Zooplankton (GZP), darunter pelagische Ctenophoren, Nesseltiere und Salpen, gelten als Gewinner des Klimawandels. In mehreren marinen Ökosystemen weltweit hat ihre Zahl in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Diese so genannte "Gelierung" gilt auch für die sich erwärmende Region des Südpolarmeers mit ihrer bekannten Verschiebung von einem krillbasierten zu einem salpenbasierten Ökosystem. Abgesehen von den Salpen werden andere gelatinöse Zooplankter der Antarktis kaum untersucht, da diese schwer erfassbaren Vertreter des pelagischen Lebensraums aufgrund methodischer Beschränkungen mit den traditionellen Netzbeprobungen nicht bzw. kaum nachweisbar sind. Entsprechend wird die Vielfalt des GZPs bislang nicht erhoben, ihre Biodiversität und Abundanz unterschätzt. Wenn man bedenkt, dass das GZP einen großen Teil der pelagischen Biomasse ausmacht und noch zentraler im Kontext der Ozeanerwärmung wird, könnte ihre ökosystemare Bedeutung als Nahrungsressource für höhere tropische Ebene zunehmen. Bis vor kurzem galt GZP allerdings als "trophische Sackgasse". Diese klassische Sichtweise ist darin begründet, dass durch die schnelle Verdauung des wässrigen, weichen Gewebes von GZP, diese - ebenso wie in den Netzfängen - nicht mehr in den Verdauungsorganen von Beutetieren nachweisbar sind. Erste neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass viele Taxa routinemäßig GZP im gesamten Weltozean konsumieren. Mit diesem DFG-Antrag wollen wir diesen Paradigmenwechsel für pelagische und demersale Ökosysteme des Südpolarmeers validieren. Zu diesem Zweck werden wir die räumlich-zeitliche Variation in der Nahrungszusammensetzung und das Auftreten von GZP-Räubern für Amphipoden- und Fischarten mit Hilfe eines DNA-Metabarcoding-Ansatzes untersuchen.Anschliessend wollen wir auf der Grundlage der Millionen von DNA-Messwerten, die mit dieser Methode und bioinformatischer Entrauschung gewonnen wurden, eine metaphylogeographische Studie durchführen. Damit wollen wir die genetische Struktur und die Populationskonnektivität der sonst schwer zu beprobenden gallertartigen Zooplanktonarten untersuchen.
Der biologische C-Kreislauf in der Antarktis unterliegt der Kontrolle der planktischen und benthischen Primärproduzenten. Die Menge an fixiertem Kohlenstoff hängt dabei nicht nur von deren photosynthetischer Aktivität ab, sondern auch von den Verlusten durch Respiration. Daher ist das Verhältnis von Photosynthese zu Respiration (rP/R) ein wichtiger Parameter den Einfluss des Klimawandels auf den antarktischen Kohlenstoffkreislauf abschätzen zu können, da aus Laborstudien bekannt ist, dass dieser Parameter empfindlich auf Umweltfaktoren reagiert. Allerdings sind quantitative Daten kaum verfügbar und Freilanddaten fehlen ganz. Das ist hauptsächlich einer methodischen Limitierung geschuldet, da sich zwar die Photosynthese Leistung über 14C, Sauerstoff oder Fluorometrie ermittelt lässt, sich die Atmung kaum oder nur mit hohem Aufwand erfassen lässt. In diesem Vorhaben soll zunächst gezeigt werden, wie hoch die Variabilität des Verhältnisses rP/R bei antarktischen Mikroalgen unter global change Bedingungen ist (steigende Temperatur, Eisenmangel. Mit diesen Daten kann dann in Modellrechnungen gezeigt werden, wie hoch der Fehler bei Primärproduktionsmessungen sein kann, wenn die Atmung nicht adäquat berücksichtigt wird. Danach soll eine Methode zur Messung der Atmung entwickelt werden, die ohne Gaswechsel und mit hohem Durchsatz im Freiland eingesetzt werden kann, um auch im Feld richtige rP/R Werte ermitteln zu können. Auf diese Weise können alle Teilprojekte, die sich mit klimawandel-abhängigen Veränderungen der antarktischen C-Bilanz beschäftigen, mit Zusatzinformationen versorgt werden, die den Wert der Daten deutlich steigern können.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 205 |
| Europa | 2 |
| Wissenschaft | 200 |
| Type | Count |
|---|---|
| Ereignis | 3 |
| Förderprogramm | 201 |
| unbekannt | 1 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 1 |
| Offen | 204 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 101 |
| Englisch | 161 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Datei | 3 |
| Dokument | 1 |
| Keine | 105 |
| Webseite | 100 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 160 |
| Lebewesen und Lebensräume | 201 |
| Luft | 160 |
| Mensch und Umwelt | 205 |
| Wasser | 204 |
| Weitere | 203 |