Forschungsprojekte in der Paläontologie:

The Sponge Reef Project: Kieselschwammriffe vor der Westküste Kanadas als Beispiel für eine „angewandte“ Paläontologie

Ein Beitrag von Manfred Krauter & Matthias Neuweiler, Stuttgart

Kieselschwämme (dazu gehören die Klasse der Hexactinellida und die polyphyletischen Lithistida, die zu den Demospongien gestellt werden) zählen zu den effizientesten Riffbildnern in der Erdgeschichte. Mehrere erdgeschichtliche Epochen wurden durch ausgedehnte Kieselschwammriffe geprägt. Im Laufe des Oberen Jura bildeten sie auf dem Nordschelf der Tethys und seinen protoatlantischen Randmeeren einen diskontinuierlichen Tiefwasser-Riffgürtel, der damals eine Ost-West-Ausdehnung von mehr als 7000km erreichte und somit das größte biogene Gebilde in der Erdgeschichte war und ist.

Moderne Kieselschwammriffe vor der Westküste Kanadas stellen ein weltweit einzigartiges und erst
kürzlich beschriebenes Ökosystem dar, das als "lebendes Fossil" bezeichnet werden kann und ein
modernes Analog zu den z.B. im Jura weit verbreiteten, fossilen Kieselschwammriffen darstellt. Das Foto
zeigt den Kieselschwamm Heterochone calyx (Höhe des Schwammes 60 cm, Foto M. Krautter.

Die Kieselschwammriffe und ihr Paläoenvironment waren in den letzten Jahren Gegenstand von kontrovers geführten Diskussionen, wobei insbesondere die Bathymetryie zu erheblichem Dissenz beitrug. Die unterschiedlichen Auffassungen beruhten mehr auf mikrofaziell-sedimentologischen „Beweisen“ als auf der Biologie respektive Ökologie der Kieselschwämme. Dieses Manko ist leicht erklärlich, da so gut wie keine Literatur existiert, die sich mit der (Palä)Ökologie von Kieselschwämmen befaßt. Eine Interpretation, die das biologisch-ökologische Potential der Organismen nicht in Betracht zieht, muß fast zwangsläufig zu falschen bzw. zu gegensätzlichen Auslegungen führen. Die modernen Kieselschwammriffe vor der Westküste Kanadas, die vor etwa zehn Jahren bei Schelfkartierungen eher zufällig entdeckt wurden, bieten nun die einzigartige Möglichkeit dieses Manko auszugleichen und Daten zu liefern, die die Interpretation fossiler Kieselschwammriffe weitgehend erleichtern und Modelle plausibler machen können.

Das nach heutiger Kenntnis etwa 700 km2 große Riffgebiet vor der Küste Britisch Kolumbiens ist das weltweit einzige heute bekannte Vorkommen von Kieselschwammriffen und stellt darüber hinaus die größte bekannte Population von hexactinelliden Kieselschwämmen unserer Zeit dar. Um ökologische Fragestellungen hinreichend beantworten zu können, bedarf es der offenen Kommunikation zwischen vielen naturwissenschaftlichen Disziplinen. Die umfassende Datenerhebung setzt in unserem Fall die Zusammenarbeit mit Meeresgeologen, Sedimentologen, Mineralogen, Bodenkundlern, Geophysikern, Ozeanographen und Meeresbiologen voraus, ausserdem wird eng mit Chemikern kooperiert.

Die Zusammenarbeit der verschiedenen Teams aus Kanada und Deutschland findet unter der Federführung von Manfred Krautter (Institut für Geologie und Paläontologie der Universität Stuttgart) und Kim Conway (Pacific Geoscience Centre, Geological Survey of Canada) statt. Die Förderung dieses internationalen Projektes wurde sowohl von der kanadischen Regierung als auch von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Projekt KR 1902/2-1) übernommen. Im Juli 1999 konnte eine umfangreiche Erkundungsfahrt mit Hilfe eines bemannten U-Bootes durchgeführt werden womit erstmals eine direkte Untersuchung von lebenden Kieselschwammriffen erfolgte. Im Sommer 2000 fand eine zweite Erkundungsfahrt statt. Dabei wurden gezielt ausgewählte Schwammriffe beprobt und geophysikalisch kartiert. Die Riffe sind zwischen dem kanadischen Festland und den Queen Charlotte Islands angesiedelt und bedecken den flach nach Westen geneigten Schelf in einer Tiefe zwischen 165 und 240m. Die Ansiedlung der Kieselschwämme ist eng an das Vorkommen von Eisbergfurchen gebunden, die durch den Rückzug der Eismassen der letzten Eiszeit vor etwa 12000 Jahren entstanden sind und den Schwämmen ein geeignetes Substrat in Form von groben Geröllen und Blöcken bieten.

Die Form der Riffe ist hoch variabel. Einerseits bilden sie Erhebungen mit einem Flankenwinkel von bis zu 90°, andererseits können sie als flach geneigte, linsenförmige Schwamm-Mounds ausgebildet sein. Kleine, rundliche Initialstadien wachsen zu größeren Riffen zusammen, wobei die Wachstumsrichtung von der Richtung der Eisbergfurchen vorgegeben ist und von der bodennahen Wasserströmung beeinflußt wird. Dadurch entstehen meist längliche Schwammriffe, die später dann zu größeren, unregelmässig geformten Riffen zusammenwachsen können. Durch ein rasches laterales Verwachsen bilden sich große teilweise mehrere Quadratkilometer große Schwammbiostrome mit Mächtigkeiten zwischen 2 und 10 m. Die sedimentfangende Wirkung der dichtstehenden Schwämme resultiert in der Akkumulation von feinstkörnigen Siliziklastiska, die zur Stabilisierung der fragilen Skelette beitragen. Außerhalb der Riffbereiche wird kein Sediment abgelagert. Das Epibenthos ist sehr geringdivers und wird hauptsächlich von drei Arten hexactinoser Schwämme charakterisiert. Andere Faunenelemente treten sehr stark in den Hintergrund. Hexactinose Kieselschwämme sind echte Gerüstbildner. Sie zementieren ihr Skelett auf den Skeletten abgestorbener und mazerierter Kieselschwämme. Dadurch bilden sie ein dreidimensionales Riffgerüst, das mit dem skleractiner Korallen vergleichbar ist. Die Wachstumsrate der Kieselschwämme beträgt zwischen 0 und 7 cm pro Jahr und liegt damit in der selben Größenordnung, wie die Wachstumsrate der modernen skleractinen Korallen. Die Größenzunahme der Riffe ist dagegen deutlich geringer. Hier können Werte mit etwa 2mm pro Jahr angegeben werden.

Geschah die Entdeckung der Riffareale vor etwa 10 Jahren eher zufällig, so sind heute sehr konkrete Ziele mit diesem weltweit bislang einmaligen Vorkommen verknüpft. Die Zeit drängt, denn die Riffe sind mittlerweile durch grundberührende Schleppnetzfischerei stark gefährdet und teilweise schon völlig zerstört. Dies konnte während den Tauchfahrten im Jahre 1999 festgestellt werden. Anhand der geophysikalischen Kartierungen ließen sich die Schadensmuster eindeutig dem Einsatz von grundberührenden Schleppnetzen zuweisen. Wie bedrohlich die Lage ist, verdeutlicht die Tatsache, daß Riffbereiche, die vor etwa 10 Jahren dort entdeckt wurden heute nicht mehr existieren. Auf Grundlage dieser Tatsachen verhängte der kanadische Minister für Fischereiwesen und Ozeane Herb Dhaliwal am 8. Juni 2001 die Schliessung der bislang bekannten Riffareale für diese Art der Fischerei. Gleichzeitig wurden von Seiten des Ministeriums finanzielle Mittel von 1 Mio. Can$ bereitgestellt, um eine hochauflösende Kartierung (swath multibeam bathymetry) durchzuführen. Diese Methode kann Details mit bis zu 1m Genauigkeit darstellen und benötigt ein dafür speziell ausgerüstetes Schiff samt geophysikalischer Operatoren. Die Daten werden mit Hilfe eines Geographischen Informations Systems (GIS) aufbereitet. Zudem soll erstmals eine 3-D Visualisierung eines Riffes anhand realer Daten erfolgen. Somit können die Riffe per digitalem "fly-through" trockenen Fusses besucht und dargestellt werden. Diese detaillierten Karten sind die Grundlage aller folgenden Arbeiten.

Unsere Arbeitsgruppe hat dem Ministerium für Fischereiwesen und Ozeane vorgeschlagen, die Riffe unter Schutz zu stellen. Diesem Vorschlag wurde gefolgt und das Ministerium hat die Schwammriffe auf die Prioritätenliste zur Errichtung mariner Schutzgebiete vom Range eines Nationalparks gestellt. Dadurch werden die Riffe auch für den nicht-kommerziellen Fischereibetrieb geschlossen und somit nachhaltig und dauerhaft unter Schutz gestellt. 13 Um das riffbildende Potential hexactinellider Schwämme insbesondere in stark beschädigten Bereichen besser einschätzen zu können, sind Langzeit-Monitorings geplant. Für dieses Vorhaben ist der Einsatz von mehreren Beobachtungs- und Meßstationen vorgesehen, die über einen längeren Zeitraum auf dem Meeresboden verbleiben. Dabei soll die Sedimentationsrate, Sedimentumlagungsprozesse, der Strömunsgverlauf, die physikalisch-chemischen Ozeanwasserparameter und die Verteilung der Nährstoffe beobachtet und dokumentiert werden. Damit verknüpft ist auch die Frage nach der Quelle und Verfügbarkeit der amorphen Kieselsäure, die den Schwämmen als Skelettbaustoff dient. Möglicherweise zeigen sich in der Verfügbarkeit der amorphen Kieselsäure saisonale Schwankungen, was wiederum Einfluss auf das Riffwachstum hat. Unterstützt werden diese Beobachtungen zum einen durch thermale Satellitenaufnahmen, zum andern durch eine bereits vorhandene Datenbank von Wasserdaten aus dem Bereich des nördlichen Pazifiks.

Ausserdem ist geplant, bereits geborgene abgestorbene Schwammskelette erneut in ausgewählte Riffe einzubringen, um so ein kontrollierbares Substrat für die Schwammbesiedelung zu schaffen. Daten, die die Dynamik der (Wieder)Besiedlung aufzeigen, sollen damit gewonnen werden. Über die Fortpflanzungs- und Wachstumsraten von Hexactinellida ist bis heute nur sehr wenig bekannt. Durch den Einsatz der stationären Meßsonden erhoffen wir uns, unterschiedliche Larval- und Juvenilstadien der Schwämme untersuchen zu können. Damit in Verbindung steht das Bemühen, über den Beobachtungszeitraum hinweg Antworten auf die Frage nach der Saisonalität der Schwamm- Reproduktion geben zu können. Die Untersuchung zur saisonalen Verfügbarkeit von amorpher Kieselsäure wird auch an einzelnen Skeletten mit Hilfe der Si- und O-Isotopenverteilung untersucht und gegebenenfalls überprüft. Ein weiterere Frage beschäftigt sich mit der Stabilität des Skelettopals nach dem Absterben der Schwämme. Die bisherigen Untersuchungen zeigen, daß seit Beginn des Riffwachstums (vor 9000 14C a) das Skelettopal keinerlei Zeichen von Diagenese aufweist. Welche Faktoren eine Umwandlung der opalinen Skelettsubstanz verhindern und welche Rolle dabei das Sediment und das Porenwasser spielt, wird in Zusammenarbeit mit Geochemikern und Mineralogen vom Institute of Ocean Sciences in British Columbia und der Universität Ulm erarbeitet.

Weitere Informationen im Internet: www.porifera.org

Adresse der Autoren: PD Dr. Manfred Krautter & Dr. Matthias Neuweiler, Institut für Geologie und Paläontologie der Universität Stuttgart; Herdweg 51; 70174 Stuttgart, email: manfred.krautter@geologie.uni-stuttgart.de