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Blickpunkt Biowissenschaften

Wie ist das vom Mensch eingetragene CO2 global im Meerwasser verteilt? Eine Untersuchung legt nahe: Die Versauerung der Meere hat die Belastungsgrenzen unseres Planeten überschritten. Dies ist der siebte von neun globalen Problembereichen, bei dem wir über unseren Möglichkeiten leben.Die <link href="#nadc20254153618-fig-0001">Ozeane mildern die Klimakatastrophe, indem sie etwa ein Viertel unserer CO2-Emissionen schlucken. Das ist gut für das Klima auf dem Land, aber schlecht für das Leben im Wasser: Das zusätzliche Kohlendioxid macht das Meerwasser saurer. Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht zwischen Hydrogencarbonat und Carbonat zu Ungunsten der Carbonationen, aus denen viele Meeresorganismen ihre Schalen oder sonstigen harten Körperteile bilden. Deshalb gilt die Versauerung der Meere als eine der neun Krisen in den Erdsystemen, für die Forschende des Stockholm Resilience Centre planetare Grenzwerte vorgeschlagen haben.1) Nach einer neuen Bewertung aus diesem Jahr hat der Meeres-pH-Wert die sichere Zone bereits verlassen und damit als siebter der neun Parameter den Grenzwert überschritten.2)<figure xml:id="nadc20254153618-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmg61n87293pp07rsq8lb9gea"><figcaption><label>Abb.1: </label>Durch den veränderten pH-Wert des Wassers haben schon jetzt viele Tierarten Probleme mit der Biomineralisation. Bild: YustynaOlha / Adobe Stock</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Über Grenzen hinaus</h2>Als überschritten gelten bereits: Klimaerwärmung, Biodiversitätsverlust, biogeochemische Kreisläufe (Phosphor und Stickstoff), Landnutzung, Einbringung neuartiger Substanzen (praktisch alle industriell hergestellten Chemikalien sowie Materialien wie Asbest oder Mikroplastik) und Belastung der Süßwassersysteme.3) Als siebter Grenzübertritt kommt jetzt die Versauerung der Meere hinzu.Verbessert hat die internationale Gemeinschaft lediglich einen der neun Parameter, nämlich die Gefährdung der Ozonschicht durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Dafür haben das Montrealer Protokoll und das weitgehende Verbot dieser Substanzen gesorgt. Im grünen Bereich ist zudem bisher noch die Belastung der Atmosphäre mit Aerosolen.In der ursprünglichen Definition der neun Grenzwerte hieß es für die Versauerung der Meere: Die Carbonatsättigung des Wassers an der Oberfläche, bezogen auf die Löslichkeit des Minerals Aragonit (CaCO3), sollte sich um maximal 20 % reduzieren. Diese Definition wird allerdings den Problemen rund um die Kohlendioxidaufnahme der Meere nicht gerecht. Denn diese dringt auch in die Tiefe vor, und die Auswirkungen variieren je nach Breitengrad: Aufgrund der höheren Löslichkeit von CO2 bei niedrigeren Temperaturen ist der pH-Wert und damit die Sättigung mit Carbonationen in den höheren Breitengraden geringer als in den Tropen, und die dort lebenden Arten sind bereits daran angepasst. Zusätzlich verkomplizieren Meeresströmungen und Süßwasserzuflüsse und die von ihnen transportierten Mineralien die Situation.<h2 type="main">Probleme mit der Biomineralisation</h2>Helen Findlay vom Plymouth Marine Laboratory in Großbritannien und Mitarbeiter:innen sagen: Die Situation muss detaillierter analysiert werden. Denn unter der ursprünglichen, noch unterschrittenen Grenze haben schon jetzt etliche Tierarten säurebedingte Schwierigkeiten mit ihrer Biomineralisation. Das gilt beispielsweise für winzige Flügelschnecken (Thecosomata), Seeigel, Korallen, und Krabbenlarven.2)Wollte man eine einzige Zahl als Grenze festsetzen, die alle diese Tierarten schützen würde, so müsste der Grenzwert bei 10 % reduzierter Sättigung liegen.2) Dieser Wert ist allerdings schon in den 1980er Jahren in vielen Gebieten und seit Anfang des neuen Jahrhunderts global überschritten.Damit, wie die Versauerung des Meerwassers in die Tiefe vordringt, haben sich Jens Müller und Nicolas Gruber von der ETH Zürich befasst. Sie rekonstruierten, wie sich der pH-Wert in den 100 Metern unter der Oberfläche zwischen den Jahren 1800 und 2014 verändert hat.4)Den Autoren zufolge dringt die Versauerung immer weiter in die Tiefe vor, und dieser Trend wird sich voraussichtlich auch noch fortsetzen, wenn der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre seinen Höhepunkt überschritten hat.Ein weiteres globales Problem für das Überleben der Meeresorganismen ist Sauerstoffmangel. Kevin Rose vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy in den USA und Kolleg:innen haben vor kurzem vorgeschlagen, diesen Parameter als eigene planetare Grenze zu betrachten.5) Sie warnen, dass sich das Volumen des unzureichend mit Sauerstoff versorgten Meerwassers seit 1960 vervierfacht habe. Aus der Erdgeschichte wissen wir, dass Sauerstoffmangel zu Massensterben beitragen kann. Einen Vorgeschmack dessen, was möglicherweise wieder auf uns zukommt, bieten die regionalen Fälle der Eutrophierung von Gewässern, wenn also die Überdüngung dazu führt, dass sich Algen und Bakterien vermehren, bis sie allen Sauerstoff aufgebraucht haben. Darüber hinaus, schreiben die Autor:innen, kann der Sauerstoffmangel auch mehrere andere Erdzyklen negativ beeinflussen, würde sich also in das Netzwerk der planetaren Grenzen einfügen.<h2 type="main">pH-Schocks der Vergangenheit</h2>Versauerung der Meere wird auch mit mehreren der großen Massensterben der Erdgeschichte in Verbindung gebracht. Allerdings ist es schwierig, Werte zu messen, die direkt auf die Entwicklung des pH-Werts in weit zurückliegenden Zeiten schließen lassen. Eine Methode nutzt Bor. Es liegt in den Ozeanen gering konzentriert in zwei stabilen Isotopen vor: 80 % 11B und 20 % 10B. Da es ein leichtes Element ist, verändert der Massenunterschied zwischen benachbarten Isotopen (10 %) die Chemie. Deshalb unterscheiden sich unterschiedliche Bor-Verbindungen in ihrer Isotopenzusammensetzung: 11B bevorzugt dreibindige Verbindungen, wie in B(OH)3, 10B vierbindige. Die natürliche Abweichung von der durchschnittlichen Isotopenzusammensetzung kann zwischen –3 und +5 % betragen (bezogen auf 11B/10B = 4,04367).6)Beim pH-Wert des Meerwassers besteht ein Gleichgewicht zwischen Borat B(OH)4– und Borsäure B(OH)3, mit einem pK-Wert nahe am typischen Meerwasser-pH-Wert (ca. 8,2). Im Gleichgewicht zwischen Borat und Borsäure reichert sich das eine Isotop mehr in der einen Verbindung an und das andere mehr in der anderen. Da also beide Verbindungen verschiedene Isotope präferieren und Borat in geringen Mengen in biologisch erzeugten Carbonaten eingelagert wird, lässt sich aus diesen der pH-Wert des Meerwassers ableiten, in dem die Tiere gelebt haben.Wie Molly Trudgill von der Universität St. Andrews in Schottland und Mitarbeiter:innen nun mit dieser Methode gezeigt haben, war auch das Massensterben, das den Übergang vom Trias zum Jura definiert (vor 201 Mio. Jahren), von einem Sinken des Meeres-pH-Werts begleitet.7) Dieser Säureschock war demnach ausgeprägt genug, um das Aussterben zahlreicher Arten mit Kalkschalen zu erklären.Am Ende des Trias war das Meerwasser leicht alkalisch, ebenso wie heute (pH 8,2). Auch damals absorbierten die Ozeane große Mengen Kohlendioxid, da sich die Konzentration des Treibhausgases in der Atmosphäre rasch verdoppelt hatte. Weiteren Isotopenuntersuchungen von Trudgill et al. zufolge stammte der überschüssige Kohlenstoff aus dem Erdmantel – er war also durch extreme vulkanische Aktivität in Verbindung mit dem Zerbrechen des Superkontinents Pangaea in die Atmosphäre gelangt.Verglichen mit den heutigen, von Menschen verursachten Veränderungen von Atmosphäre und Meerwasser sind diese urzeitlichen Verschiebungen von ähnlichem Ausmaß. Sie erfolgten schnell nach geologischen Zeitvorstellungen – innerhalb von etwa 100 000 Jahren –, aber bei weitem nicht so schnell wie heute.Mit der Erkenntnis, dass das Massensterben vor 201 Mio. Jahren mit einer Versauerung der Meere zusammenhing, lassen sich drei der großen fünf Massensterben der letzten 500 Mio. Jahre mit einem sinkenden Meerwasser-pH-Wert in Verbindung bringen. Dazu gehören auch das Perm-Trias-Massensterben (vor 252 Mio. Jahren) und das uns am nächsten liegende am Ende der Kreidezeit vor 66 Mio. Jahren, das unter anderem die Dinosaurier (mit Ausnahme der Vögel) auslöschte.<h2 type="main">Schneller Wandel</h2>Das Meerwasser wurde nach dem Massensterben am Trias-Jura-Übergang relativ rasch wieder alkalisch, zumindest nach geologischen Zeitvorstellungen: Es brauchte nur einige hunderttausend Jahr. Sowohl geologische als auch biologische Rückkopplungen hatten einen Effekt – zum Beispiel die verstärkte Sequestrierung von Kohlenstoff dadurch, dass massenhaft abgestorbene Meereslebewesen unter sauerstoffarmem Wasser auf dem Meeresboden landen und nicht in die Nahrungskette zurückkehren, oder das Wiedererstarken des biologischen Kohlenstoffkreislaufs durch die Chancen, die sich für Arten ergeben, welche die freigewordenen ökologischen Nischen besetzen. Zu den Nutznießern zählten neuartige Organismen, die ihre Schalen aus Silicat statt aus Carbonat bilden: die Kieselalgen.Der nächste pH-Schock folgte allerdings weniger als 20 Mio. Jahre später. Zu Beginn des Toarcium vor 183 Mio. Jahren gab es in den Ozeanen Sauerstoffmangel, und etliche Meeresbewohner starben. Dieses Ereignis zählt zwar nicht zu den großen Massensterben, wurde aber offenbar wie diese von einer Versauerung der Meere begleitet. Dies haben Simone Kasemann von der Universität Bremen und Mitarbeitende jetzt ebenfalls mit Bor-Isotopen bestätigt.8) Sie fanden das Isotopensignal zwar nicht in versteinerten Muscheln und Armfüßern (Brachiopoda), wiesen es aber in versteinertem Kalkschlamm (Mikrit) nach. Die untersuchten Tierarten konnten die pH-Wert-Verschiebung anscheinend abpuffern und eignen sich deshalb nicht, den pH-Wert zu ermitteln.<h2 type="main">Saure Zeiten</h2>In der gegenwärtigen Biodiversitätskrise, die einige Fachleute als sechstes Massensterben einordnen, sind viele Meeresorganismen vom Aussterben bedroht. Das liegt oft an mehreren Faktoren. Korallenriffen schaden zum Beispiel sowohl die Erwärmung als auch die Versauerung der Meere. Es gibt schon Strategien, um die Korallen gegen den Hitzestress resistent zu machen. Doch gegen die Löslichkeit von Carbonaten ist nichts auszurichten, außer weniger CO2 auszustoßen.Zu den weniger bekannten Opfern der Versauerung zählen Seeigel, deren Stacheln aus Carbonat bestehen, sowie mikroskopische Organismen wie Haptophyta (komplexe einzellige Algen) und Foraminiferen (Protisten). Sonia Chaabane von der Universität Aix-Marseille und Mitarbeiter:innen haben vor kurzem die Migration planktonischer Foraminiferen über die letzten 100 Jahre beschrieben.9) Diese Organismen können sowohl zu höheren Breitengraden als auch in bis zu 100 Meter tiefes Wasser vordringen, um den Gefahren von Erwärmung und Versauerung aus dem Weg zu gehen. Doch wie die Analyse ergab, genügt diese Ausweichbewegung inzwischen nicht mehr, um die historische Biodiversität der Foraminiferen zu bewahren.Gerade diese Kleinstorganismen, die bei Naturschutzbemühungen oft übersehen werden, haben wichtige und grundlegende Funktionen in marinen Ökosystemen – sie entnehmen ihren Kohlenstoff dem Meer und ziehen ihn bestenfalls als Sediment auf längere Zeit aus dem Verkehr. Wenn diese Organismen sich buchstäblich in Säure auflösen, kommt es in den Meeren zu einem weiteren Massensterben.<h2 type="main">Der Autor</h2>Der promovierte Chemiker Michael Groß arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://michaelgross.co.uk" target="_blank">michaelgross.co.uk</a><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20254153618-bibl-0001"><li xml:id="nadc20254153618-bib-0001">1 J. Rockström, W. Steffen, K. Noone, Nature 2009, 461, 472</li><li xml:id="nadc20254153618-bib-0002">2 H. Findlay, R. A. Feely, L.-Q. Jiang et al., Glob. Change Biol. 2025, 31, e70238; doi: <accessionid ref="info:doi/10.1111/gcb.70238">10.1111/gcb.70238</accessionid></li><li xml:id="nadc20254153618-bib-0003">3 K. Richardson, W. Steffen, W. Lucht, Sci. Adv. 2023, 9, adh2458</li><li xml:id="nadc20254153618-bib-0004">4 J. D. Müller, N. Gruber, Sci. Adv. 2024, 10, eado3103</li><li xml:id="nadc20254153618-bib-0005">5 K. C. Rose, E. M. Ferrer, S. R. Carpenter et al., Nat. Ecol. Evol. 2024, 8, 1400–1406; doi: <accessionid ref="info:doi/10.1038/s41559–024–02448-y">10.1038/s41559–024–02448-y</accessionid></li><li xml:id="nadc20254153618-bib-0006">6 G. L. Foster, J. W. B. Rae, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2016, 44, 207</li><li xml:id="nadc20254153618-bib-0007">7 M. Trudgill, J. W. B. Rae, R. Whiteford et al., Nat. Commun. 2025, 16, 6471</li><li xml:id="nadc20254153618-bib-0008">8 S. A. Kasemann, T. Klein, R. A. Boyle et al., Commun. Earth &amp; Environ. 2025, 6, 533</li><li xml:id="nadc20254153618-bib-0009">9 S. Chaabane, T. de Garidel-Thoron, J. Meilland, Nature 2024, 636, 390–396</li></ul>

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