Wie wir die Ozeane retten können und wie sie uns retten können

Sieben Zehntel der Erde sind von Ozeanen bedeckt. Sie bringen unsere Speisen auf den Teller, liefern bis zu 50 Prozent des Sauerstoffs, den wir atmen, und regulieren das Klima. Aber menschliche Aktivitäten setzen dies aufs Spiel.

Am 25. September legte der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen einen Bericht über die Ozeane vor, der eine düstere Lektüre war. Darin heißt es, dass der Meeresspiegel bis 2100 immer noch um 30 bis 60 cm steigen könnte, selbst wenn die Treibhausgasemissionen stark zurückgingen und die globale Erwärmung auf weniger als 2 °C begrenzt würde.

Außerdem entleeren wir die Ozeane von Tieren, nachdem wir 1992 den Punkt des „Spitzenwertes der Fische“ überschritten haben, als der weltweite Gesamtfang einen unerbittlichen Rückgang begann. Ein Drittel der Meeressäuger ist vom Aussterben bedroht. Unsere CO2-Emissionen haben die Ozeane seit der vorindustriellen Zeit um 30 % saurer gemacht und bedrohen das Leben im Wasser in vielerlei Hinsicht.

Aber viele Menschen arbeiten daran, das Ruder herumzureißen. „Es gibt viele Lösungen da draußen“, sagt Naturschutzwissenschaftlerin Dr. Heather Koldewey von der Zoological Society of London. „Es ist ganz außergewöhnlich, die Macht des Guten in der Welt.“

WIE WIR UNSERE MEERE RETTEN KÖNNEN

Die intelligente Maschine, die Plastik an der Quelle auffängt

Plastikpartikel sind in unseren Meeren allgegenwärtig geworden. Sie wurden in abgelegenen Gebieten der Pole und in den tiefsten Meeresgräben gesichtet. Während sich eine Reihe von Projekten darauf konzentrieren, Kunststoffe aus den Meeren zu entfernen, entwickelt das Tech-Start-up Ichthion ein System zur Extraktion von Kunststoffabfällen aus Flüssen.

Flüsse spielen eine große Rolle beim Plastikproblem in den Ozeanen, weil sie tonnenweise Müll vom Land ins Meer spülen. „Was wir Hunderttausende von Kilometern im Landesinneren tun, hat wirklich Auswirkungen“, erklärt die Naturschutzwissenschaftlerin Dr. Heather Koldewey, die kürzlich an einer Expedition teilgenommen hat, bei der Plastikmüll entlang des Flusses Ganges aufgespürt wurde.

Das Azure-Gerät von Ichthion sitzt auf der Oberfläche eines Flusses und leitet schwimmende Objekte zum Flussufer, wo ein Förderband sie anhebt und an einer Kamera vorbeiführt. Ein künstlicher Intelligenzalgorithmus erkennt dann die Formen und Farben verschiedener Kunststoff- und Verpackungsmarken. Auf diese Weise können Forscher feststellen, woher der Müll kommt und welche Arten von Kunststoffen am häufigsten vorkommen.

„Ohne Daten ist es wie der Kampf gegen ein Problem, das wir nicht verstehen“, sagt Inty Grønneberg, CEO von Ichthion. Der zurückgewonnene Kunststoff, bis zu 80 Tonnen pro Tag, wird dann sortiert und der Wiederverwendung und dem Recycling zugeführt.

Die ersten Azure-Systeme sollen nächstes Jahr in Flüssen in Ecuador installiert werden, wo man hofft, dass sie den Plastikstrom auf dem Weg zu den Galapagos-Inseln eindämmen werden. Ein weiteres Gerät, an dem das Ichthion-Team arbeitet, wird an Schiffen befestigt und Plastikpartikel aus dem Wasser filtern, eine Idee, die von Riesenhaien inspiriert wurde, die Plankton durch ihre Kiemen sieben.

Zucht härterer Riffe

Korallenriffe sind blühende Ökosysteme, in denen ein Viertel aller Meeresarten zu Hause sind. Aber wenn die Durchschnittstemperaturen bis 2100 um 2°C steigen, werden die meisten Riffe der Welt zerstört. Die Zucht von „Superkorallen“ könnte eine Möglichkeit sein, sie vor der Klimakrise zu retten.

In Australien setzt Prof. Madeleine van Oppen die Arbeit fort, die sie vor einigen Jahren mit der 2018 verstorbenen Korallenbiologin Ruth Gates begonnen hat. Sie und andere Forscherteams erproben verschiedene Techniken, die unter das Dach der „unterstützten Evolution“ fallen. , von der selektiven Züchtung bis zur Genbearbeitung.

Einige Korallenarten sind von Natur aus besser in der Lage, mit Hitze fertig zu werden, und es gibt bereits vielversprechende Ergebnisse aus der Kreuzung dieser härteren Korallen mit anderen Arten, um hitzetolerante Hybriden zu produzieren. Inzwischen suchen Wissenschaftler nach den Genen, die manchen Korallen ihre Hitzetoleranz verleihen. Letztendlich könnte das Ziel darin bestehen, Riffe mit robusten, im Labor gezüchteten Korallen neu zu bepflanzen.

Die Naturschutzwissenschaftlerin Dr. Heather Koldewey von der Zoological Society of London warnt davor, dass wir keine Zeit für jahrzehntelange Forschung haben, sondern dringend prüfen müssen, welche Lösungen am praktikabelsten sind, also sind wir bereit zu handeln. Aber bis die Länder die Treibhausgasemissionen reduzieren, „kaufen wir mit allem anderen, was wir für die Korallenriffe tun, nur Zeit“, sagt sie.

Haiauge am Himmel

In Australien und Südafrika werden Hainetze häufig in Küstenregionen eingesetzt, um die Wahrscheinlichkeit von Haiangriffen zu verringern – nicht indem sie eine Barriere zwischen Menschen und Haien errichten, sondern indem sie jährlich Tausende von Haien absichtlich töten. Die Theorie besagt, dass weniger Haie weniger Angriffe bedeuten. Als Top-Raubtiere sind Haie jedoch ein wichtiger Teil des Ökosystems, und viele Arten sind bereits bedroht. Die Netze können auch andere gefährdete Meereslebewesen fangen, darunter Stachelrochen, Delfine und Schildkröten.

Project Airship könnte eine kostengünstige, wirkungslose Alternative bieten, um die Sicherheit der Badegäste zu gewährleisten. Project Airship verwendet angebundene Zeppeline, die mit bewegungsempfindlichen Kameras ausgestattet sind, um die Küstengewässer im Auge zu behalten. Laut Gründer Kye Adams werden diese Blimps den ganzen Tag in Betrieb bleiben, im Gegensatz zu Drohnen, die von der Küstenwache angetrieben werden und nur etwa 20 Minuten lang laufen können.

Während zweier Testsaisons in Australien setzte Adams „analoge Haie“, auch als menschliche Freitaucher bekannt, im Meer ein. Er war angenehm überrascht, wie gut die Kamera die Taucher erkannte, die mit ausgestreckten Armen unter Wasser schwammen, um die Brustflossen eines Hais nachzuahmen. Der nächste Schritt wird sein, künstliche Intelligenz einzusetzen, um echte Haie automatisch zu erkennen.

Letztendlich könnten die Luftschiffe eine Option sein, um Schwimmern und Surfern zu versichern, dass es sicher ist, ins Wasser zu gehen, anstatt Haie zu töten, indem sie Keulungskampagnen starten und Hainetze aufstellen.

Überwachung von Wilderern aus dem Weltraum

Bis vor wenigen Jahren war es fast unmöglich, illegale Fischereiaktivitäten auf offener See zu verfolgen. Was hinter dem Horizont geschah, blieb hinter dem Horizont.

Seit 2016 beobachtet die Global Fishing Watch die Weltmeere aus dem All. Die Zusammenarbeit zwischen dem Internetgiganten Google, der Naturschutzgruppe Oceana und den Satellitentechnologieexperten SkyTruth macht es Schiffen viel schwerer zu verbergen, was sie vorhaben.

Die Technologie basiert auf den Ortungsgeräten, die große Boote mitführen müssen, um ihren Standort, ihre Geschwindigkeit und ihren Kurs zu übertragen, um Kollisionen mit anderen Schiffen zu vermeiden. Das Team von Global Fishing Watch verwendete diese öffentlich zugänglichen Informationen, um Computeralgorithmen beizubringen, wie verschiedene Arten des Angelns aussehen. Zum Beispiel arbeiten Langleinenboote über und über geraden Gewässern, während Trawler eher willkürlich herumkriechen.

Jetzt analysiert das System jeden Tag 60 Millionen Datenpunkte, um die verräterischen Fischereimuster von mehr als 65.000 Schiffen zu identifizieren. Die Fischereiaktivitäten werden dann nahezu in Echtzeit auf einer interaktiven Online-Karte angezeigt, auf die jeder zugreifen und sie herunterladen kann.

Regierungen nutzen die Daten bereits, um die illegale Fischerei in Meeresschutzgebieten zu bekämpfen, während Forscher Strategien entwickeln, um die legale Fischerei nachhaltiger zu gestalten.

Das System kann sogar Fischereifahrzeuge identifizieren, die versuchen, das System zu täuschen. Die Algorithmen erkennen, wenn mehrere Schiffe dieselbe Identifikationsnummer verwenden oder wenn jemand das GPS an Bord manipuliert und der Sendestandort des Schiffes nicht mit dem Standort des Satelliten übereinstimmt, der die Daten empfangen hat.

Schick die Roboter rein!

Die Tiefsee ist der größte Lebensraum des Planeten, aber wir wissen immer noch so wenig darüber. Angesichts aufkommender Bedrohungen wie dem Tiefseebergbau wird es immer dringender, diesen Lebensraum zu untersuchen, damit wir herausfinden können, welche Arten dort unten leben und welche Auswirkungen unser Handeln haben wird.

Das Problem ist, dass es unglaublich schwierig ist, die Tiefen des Ozeans zu erkunden, aber technologische Innovationen, einschließlich Flotten von Tauchrobotern, die als autonome Unterwasserfahrzeuge oder AUVs bekannt sind, helfen uns dabei, dies zu ermöglichen. Ausgestattet mit hochauflösenden Kameras sind AUVs die leistungsstarken Augen, die es uns ermöglichen, einen Blick auf die Umgebung unter der Oberfläche zu werfen. Einziger Wermutstropfen ist, dass hinterher noch jemand das Filmmaterial durchforsten muss.

„Es ist astronomisch, wie lange es dauert, Bilder zu analysieren“, sagt Prof. Kerry Howell, ein Meeresökologe von der Plymouth University. Howell leitet das Deep Links-Projekt, das kürzlich künstliche Intelligenz als Möglichkeit zur Beschleunigung des Prozesses getestet hat.

Ihr Team nahm einen Datensatz von 150.000 Bildern auf, die von einem der britischen AUVs namens Autosub6000 von einem Tauchgang in mehr als einen Kilometer Tiefe auf der Rockall Bank im Atlantik gesammelt wurden. Doktorand Nils Piechaud bekam die wenig beneidenswerte Aufgabe, 1.200 dieser Bilder zu untersuchen und 40.000 Tiere von mehr als 100 Arten zu identifizieren. Anhand dieser Bilder trainierte er dann Googles TensorFlow – einen Deep-Learning-Algorithmus – um Tiefseetiere zu identifizieren.

Die Leistung des Algorithmus wurde dann mit anderen Bildern getestet, die er noch nicht gesehen hatte. „Bei einigen Arten funktioniert es sehr gut“, sagt Howell. In über 90 % der Fälle hat der Algorithmus Xenophyophoren richtig erkannt, Organismen, die wie Krocketbälle aus Bienenwaben aussehen.

Es steckt noch in den Kinderschuhen, aber Howell ist überzeugt, dass Algorithmen Forschern bei kniffligen Aufgaben helfen und dazu beitragen werden, das Potenzial autonomer Technologien freizusetzen. „Das Geniale an künstlicher Intelligenz und Computer Vision ist, dass sie konsistent sind“, sagt Howell. Im Gegensatz zu Menschen werden Algorithmen nicht müde oder machen unvorhersehbare Fehler.

Natürlich haben Maschinen nicht immer Recht, aber ihre Voreingenommenheit kann quantifiziert und aus den Daten entfernt werden – etwas, das mit dem wandernden Verstand der Menschen unmöglich ist.

WIE UNSERE OZEANE UNS RETTEN KÖNNEN

Eine ungeöffnete Hausapotheke

Die moderne Medizin wird durch antibiotikaresistente Infektionen wie MRSA bedroht. Da lebensrettende Medikamente ihre Wirksamkeit verlieren, warnen einige Experten vor einer Rückkehr ins Mittelalter, wenn dies so weitergeht.

Infolgedessen wird dringend nach neuen Medikamenten gesucht, um Resistenzen zu bekämpfen, und ein Ort, an dem die Menschen suchen, sind die Ozeane. „Schwämme und Korallen sind die vielversprechendsten Quellen für Naturprodukte mit medizinischen Eigenschaften“, sagt Prof. Howell, Meeresökologe von der Plymouth University. Das liegt daran, dass diese Tiere häufig von Bakterien besiedelt sind, die Chemikalien entwickelt haben, um sich gegenseitig zu besiegen und zu töten, was die ideale Basis für Antibiotika darstellt.

Als Tiefseebiologe gehört Howell zu den Ersten, die von neuen Molekülen erfahren, die in den Ozeanen entdeckt wurden. Howell und ihr Kollege Mat Upton, ein Mikrobiologe ebenfalls an der Plymouth University, haben bereits mindestens ein aus Tiefseebakterien extrahiertes Molekül entdeckt, das gegen MRSA wirksam zu sein scheint.

Howell gibt zu, dass sie sich ursprünglich für die Bioprospektion interessierte, um die Menschen davon zu überzeugen, sich um Tiefseearten zu kümmern. „Wenn dir die Tiefsee egal ist, nur weil es falsch ist, Arten und Lebensräume zu zerstören, dann kümmere dich wenigstens darum, denn sie könnte dein Leben retten“, sagt sie.

In den Ozeanen werden nicht nur Antibiotika gefunden. Es wurden Schmerzmittel hergestellt, die auf den Toxinen tödlicher, tropischer Kegelschnecken basieren. Inzwischen hat ein karibischer Schwamm verschiedene antivirale und krebsbekämpfende Medikamente hervorgebracht, darunter Cytarabin zur Behandlung von Lymphomen und Leukämie und Aciclovir, das gegen Gürtelrose, Windpocken, Lippenherpes und Herpes eingesetzt wird.

Ozeane, die Wärme und CO₂ aufnehmen

Ohne die Ozeane wäre die Klimakrise schon viel schlimmer. Dieses riesige Wasservolumen hat mehr als 90 Prozent der Wärme aus der sich erwärmenden Atmosphäre absorbiert und viele Gigatonnen Kohlendioxid aufgenommen (eine Gigatonne =eine Milliarde Tonnen).

Eine kürzlich durchgeführte Studie berechnete, dass die Ozeane zwischen 1994 und 2007 fast ein Drittel des gesamten CO₂ absorbierten durch menschliche Aktivitäten freigesetzt. „Die Ozeane haben uns vor der Hitze geschützt, sie haben uns vor dem Kohlendioxid geschützt“, sagt Dan Laffoley von der International Union for the Conservation of Nature. „Wenn es den Ozean nicht gegeben hätte, wären die globalen Oberflächentemperaturen über 30 °C wärmer.“

Er beschreibt die Ozeane als eine Wohlfühldecke, die die Bedingungen für das Leben auf der Erde genau richtig hält. Aber während ihre kolossale Aufnahme von Kohlenstoff und Wärme dazu beiträgt, die Klimakrise abzuwehren, verursacht sie unter Wasser andere Probleme. Die Ozeane selbst erwärmen sich merklich und werden saurer, und mit steigenden Temperaturen verlieren die Ozeane Sauerstoff.

Und das bedeutet schlechte Nachrichten für alle Meereslebewesen, die es schwerer haben werden zu atmen und zu überleben. Die wechselnde Chemie der Ozeane macht das Leben besonders schwer für Korallen, Muscheln, Plankton und andere Organismen mit Schalen oder Skeletten aus Kalziumkarbonat, das sich als pH-Abfall aufzulösen beginnt.

Die Lunge des Planeten

Wir alle sollten dankbar sein für die Existenz von Phytoplankton. Viele dieser winzigen Organismen schwimmen durch die Ozeane, nutzen die Energie der Sonne durch Photosynthese und produzieren dabei etwa die Hälfte des gesamten Sauerstoffs in der Erdatmosphäre (der Rest stammt von Landpflanzen).

Besonders wichtig ist eine Art von Cyanobakterien oder Blaualgen namens Prochlorococcus. Was ihnen an Größe fehlt – 10 von ihnen könnten über die Breite eines roten Blutkörperchens passen – machen sie in ihrer Anzahl mehr als wett und sind wahrscheinlich die am häufigsten vorkommenden photosynthetischen Organismen auf dem Planeten.

„Sie existieren in einer solchen Anzahl, dass sie in Oktillionen gemessen werden, was meiner Meinung nach 10 ist, eine lächerlich große Zahl“, sagt Laffoley.

Prochlorococcus-Proben wurden erstmals 1986 von der Ozeanographin Sallie Chisholm vom Massachusetts Institute of Technology aus Wasser isoliert, das aus der Sargassosee gesammelt wurde. In diesem Jahr wurde ihr der mit 750.000 US-Dollar dotierte Crafoord-Preis für ihre bahnbrechende Entdeckung und fortlaufende Untersuchung der lebenswichtigen Cyanobakterien verliehen

Die von Meeresbewohnern inspirierte Technologie

Viele Wissenschaftler und Ingenieure wurden inspiriert, nützliche neue Materialien, Strukturen und Technologien zu entwickeln, die auf den Dingen basieren, die in den Ozeanen leben. Zum Beispiel könnten wir eines Tages anstelle klobiger Metallroboter Maschinen mit weichem Körper sehen, die von den flexiblen Armen von Tintenfischen inspiriert sind. Die erstaunliche Fähigkeit von Oktopussen, die Farbe und Struktur ihrer Haut sofort an ihre Umgebung anzupassen, wird auch für die Verwendung als militärische Tarnung untersucht.

Inspiration aus den Ozeanen kann von den einfachsten Tieren kommen. Die Forscher wollten beispielsweise wissen, wie Muscheln an Felsen haften bleiben, selbst wenn sie nass sind und von Wellen geschlagen werden. Es stellt sich heraus, dass die Weichtiere eine spezielle Art von wasserfestem Klebstoff absondern, den medizinische Forscher jetzt verwenden, um chirurgische Klebstoffe zu entwickeln, die bei komplizierten Eingriffen wie Operationen an ungeborenen Babys verwendet werden.

Ein Verwandter der Muscheln – die Napfschnecken – stellte eine weitere Frage, die erst kürzlich beantwortet wurde:Wie verbringen diese gewöhnlichen Küstenweichtiere so viel Zeit damit, Algen von Felsen zu kratzen, ohne ihre Zähne einzuschlagen? Ihr Geheimnis liegt in der komplizierten Nanostruktur ihrer Knirscher, die sie zum zähesten bekannten biologischen Material machen. Wenn eine Napfschnecke wollte, konnte sie sich durch eine kugelsichere Weste kauen. Ihre winzigen, widerstandsfähigen Zähne könnten repliziert und zu unserem Vorteil für die Herstellung robuster Materialien verwendet werden.

Seeigel gehen mit ihren selbstschärfenden Zähnen das Konzept beeindruckender Zahnmedizin noch einen Schritt weiter. Ihre Zähne bestehen aus Schichten von Kalziumkarbonatkristallen und organischem Material mit spezifischen Schwachstellen, die brechen und eine messerscharfe Kante hinterlassen. Wenn Materialwissenschaftler diese Fähigkeit nachahmen können, könnten wir von Seeigeln inspirierte, selbstschärfende Scheren und Messer verwenden.

Eine unersetzliche Nahrungsquelle

Laut dem World Wide Fund for Nature (WWF) verlassen sich etwa 3 Milliarden Menschen auf Meeresfrüchte als wichtigste Proteinquelle. Knapp die Hälfte des Fisches, den wir essen, stammt von Wildtieren, die in den Ozeanen gefangen werden, der Rest stammt von Fischfarmen.

Neben den bekannten Fischen und Schalentieren bieten die Ozeane noch etwas anderes, das in unsere Ernährung und unser tägliches Leben eindringt, oft ohne dass wir es wissen. Jedes Jahr werden mindestens 25 Millionen Tonnen Algen gezüchtet. Manchmal sehen Sie es als Nori, das um Ihre Sushi-Rollen gewickelt ist, aber viel davon wird zur Herstellung von Industrieprodukten verwendet, darunter Alginate und Carrageene, die in allen möglichen Artikeln enden. Shampoo, Zahnpasta, Tiernahrung, Eiscreme, verarbeitetes Fleisch, vegetarische Hot Dogs, Bier, Schuhcreme, Lufterfrischer und Feuerlöscher können alle Chemikalien enthalten, die aus Meeresalgen gewonnen werden.

Die Algenzucht wurde traditionell in Asien betrieben, und jetzt nutzen andere Länder, darunter das Vereinigte Königreich und die USA, die Vorteile. Algen gelten nicht nur als „Superfood“, das reich an Jod, Kalzium und Aminosäuren ist, sondern sie können auch nachhaltig angebaut werden und sind kohlenstoffneutral, da sie Kohlendioxid absorbieren und überschüssige Nährstoffe aus dem Meer aufnehmen. Meeresalgen können zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden, während Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass Rinder, die mit Algenfuttermitteln aufgezogen werden, weniger Methan produzieren, ein starkes Treibhausgas.

Es ist Zeit zum Handeln

Angesichts dessen, was sie bieten und wie sie den Planeten Erde bewohnbar machen, ist es glasklar, dass die Ozeane dringend geschützt werden müssen. Die Einrichtung von Meeresschutzgebieten, in denen alle schädlichen Aktivitäten verboten sind – insbesondere die Fischerei –, ist eine große Win-Win-Situation für die Ozeane und für uns:Ökosysteme werden gesünder und potenziell widerstandsfähiger gegenüber dem Klimawandel, während die Fischerei durch die Eier und Larven dieser Arten angekurbelt wird strömen aus diesen blühenden Oasen heraus.

Derzeit sind rund 8 % der Meeresfläche der Welt innerhalb von Meeresschutzgebieten in gewissem Maße geschützt, obwohl viele auf dem Papier als gut gelten, aber nicht gut durchgesetzt werden.

Die Europäische Kommission behauptet, dass 10,8 Prozent der europäischen Meere geschützt sind, aber ein kürzlich veröffentlichter Bericht des World Wide Fund For Nature (WWF) kam zu dem Schluss, dass ordnungsgemäß verwaltete Schutzgebiete nur 1,8 Prozent ausmachen.

Hören Sie sich Folgen des Science Focus Podcast an über das meer:

• Warum bewegt sich der magnetische Nordpol? – Ciaran Beggan
• Es gibt keinen Plan B für den Planeten Erde – Lord Martin Rees
• Wie können wir unseren Planeten retten? – Sir David Attenborough

Ein globales Ziel, 10 Prozent der Ozeane bis 2020 zu schützen, scheint in Reichweite zu sein, aber Naturschützer und Wissenschaftler fordern mehr. Im Jahr 2016 stimmten die Mitglieder der International Union for the Conservation of Nature (IUCN), darunter 1.400 Regierungen, NGOs und indigene Gemeinschaften, mit überwältigender Mehrheit für ein neues Ziel:Schutz von 30 Prozent der Ozeane bis 2030. Dies wird zur Unterstützung der Fischerei beitragen , Förderung der Biodiversität und Schutz der mit den Ozeanen verbundenen Traditionen.

„Es gibt keine wissenschaftliche Veröffentlichung, die die derzeitige Politik des Schutzes von 10 Prozent unterstützt“, sagt Dan Laffoley von der IUCN. Die Wissenschaft sagt uns, dass das erforderliche Minimum ein Drittel des Schutzes der Ozeane oder mehr ist. Und es geht nicht nur um Meeresschutzgebiete, sondern auch darum, was außerhalb davon passiert. „Wenn wir einen nachhaltigen Ozean haben wollen“, sagt Dr. Heather Koldewey, Senior Advisor bei der Zoological Society of London. „Es muss eine Kombination aus Schutz und nachhaltigem Management des Rests sein.“

Aktualisieren :Eine frühere Version dieses Artikels besagt, dass die Ozeane seit der vorindustriellen Zeit um 300 Prozent saurer geworden sind. Das sollen 30 Prozent gewesen sein. Außerdem produziert ozeanisches Plankton etwa 50 Prozent des Sauerstoffs der Erde, nicht bis zu 85 Prozent.