Zusammenbruch des Ökosystems

Ein Ökosystem (kurz für ökologisches System ) ist definiert als eine Ansammlung interagierender Organismen innerhalb einer biophysikalischen Umwelt . ^{[ 2 ] : 458} Ökosysteme sind niemals statisch und unterliegen ständig stabilisierenden und destabilisierenden Prozessen. ^{[ 3 ]} Stabilisierende Prozesse ermöglichen es Ökosystemen, angemessen auf destabilisierende Veränderungen oder Störungen der ökologischen Bedingungen zu reagieren oder sich von den dadurch verursachten Schäden zu erholen. Werden destabilisierende Prozesse jedoch stark oder schnell genug, um einen kritischen Schwellenwert innerhalb dieses Ökosystems zu überschreiten – oft als ökologischer Kipppunkt bezeichnet –, dann kommt es zum Zusammenbruch des Ökosystems (manchmal auch als ökologischer Kollaps bezeichnet ) . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Der Zusammenbruch eines Ökosystems bedeutet nicht das vollständige Verschwinden allen Lebens in dem betroffenen Gebiet, führt aber zum Verlust seiner charakteristischen Merkmale, typischerweise auch der von ihm erbrachten Ökosystemleistungen . Der Zusammenbruch eines Ökosystems ist in den meisten Fällen unumkehrbar, und selbst wenn eine Umkehr möglich ist, verläuft sie in der Regel langsam und schwierig. ^{[ 6 ] [ 1 ]} Ökosysteme mit geringer Resilienz können selbst in vergleichsweise stabilen Zeiten zusammenbrechen, was dann typischerweise zu ihrer Ersetzung durch ein resilienteres System in der Biosphäre führt . Allerdings können auch resiliente Ökosysteme in Zeiten rascher Umweltveränderungen verschwinden. ^{[ 5 ]} Die Untersuchung von Fossilienfunden konnte aufzeigen, wie bestimmte Ökosysteme zusammenbrachen, beispielsweise der Regenwald im Karbon oder die Ökosysteme des Baikalsees und des Hovsgol-Sees während des letzten glazialen Maximums . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Das anhaltende Artensterben im Holozän wird heute hauptsächlich durch menschliche Eingriffe in die Umwelt verursacht . Der bisher größte Verlust an Biodiversität ist auf die Zerstörung und Fragmentierung von Lebensräumen zurückzuführen , die unbehandelt ganze Ökosysteme vernichten. ^{[ 9 ]} In der jüngeren Vergangenheit gab es mehrere bemerkenswerte Beispiele für einen solchen Zusammenbruch von Ökosystemen, wie etwa den Zusammenbruch der Kabeljaufischerei im Nordwestatlantik . ^{[ 10 ]} Ohne Kurskorrektur sind weitere Zusammenbrüche wahrscheinlich, da Schätzungen zufolge 87 % der Ozeane und 77 % der Landfläche vom Menschen verändert wurden, 30 % der globalen Landfläche degradiert sind und die Widerstandsfähigkeit der Ökosysteme weltweit abnimmt. ^{[ 6 ]} Die Abholzung des Amazonas-Regenwaldes ist das dramatischste Beispiel dafür, wie ein riesiges, zusammenhängendes Ökosystem und ein Hotspot der Biodiversität unmittelbar durch die Zerstörung von Lebensräumen durch Abholzung und durch die weniger sichtbare, aber stetig wachsende und anhaltende Bedrohung des Klimawandels gefährdet ist . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Biologische Erhaltungsmaßnahmen können sowohl bedrohte Arten als auch gefährdete Ökosysteme schützen. Dabei ist jedoch Eile geboten. So wie Maßnahmen zum Schutz einer Art ergriffen werden müssen, bevor ihre Population unter die Überlebensgrenze sinkt – ab diesem Zeitpunkt entsteht eine Aussterbeschuld, unabhängig von den weiteren Entwicklungen –, müssen auch Bemühungen zum Schutz von Ökosystemen auf Frühwarnsignale reagieren, bevor der Kipppunkt für einen Regimewechsel überschritten wird. Zudem besteht eine erhebliche Lücke zwischen dem wissenschaftlichen Wissen über Aussterbeprozesse und dem Wissen über den Zusammenbruch von Ökosystemen. Zwar wurden Anstrengungen unternommen, objektive Kriterien zur Bestimmung des Zusammenbruchrisikos von Ökosystemen zu entwickeln, diese sind jedoch vergleichsweise neu und noch nicht so umfassend. Während die Rote Liste gefährdeter Arten der IUCN seit Jahrzehnten existiert, wird die Rote Liste der Ökosysteme der IUCN erst seit 2008 entwickelt. ^{[ 1 ] [ 6 ]}

Ecosystem collapse has been defined as a "transformation of identity, loss of defining features, and replacement by a novel ecosystem", and involves the loss of "defining biotic or abiotic features", including the ability to sustain the species which used to be associated with that ecosystem.^[1] According to another definition, it is "a change from a baseline state beyond the point where an ecosystem has lost key defining features and functions, and is characterised by declining spatial extent, increased environmental degradation, decreases in, or loss of, key species, disruption of biotic processes, and ultimately loss of ecosystem services and functions".^[6] Ecosystem collapse has also been described as "an analogue of species extinction", and in many cases, it is irreversible, with a new ecosystem appearing instead, which may retain some characteristics of the previous ecosystem, yet has a greatly altered structure and function.^[1] There are exceptions where an ecosystem can be recovered past the point of a collapse,^[13] but by definition, will always be far more difficult to reverse than allowing a disturbed yet functioning ecosystem to recover, requiring active intervention and/or a prolonged period of time even if it can be reversed.^[6][1]

While collapse events can occur naturally with disturbances to an ecosystem—through fires, landslides, flooding, severe weather events, disease, or species invasion—there has been a noticeable increase in human-caused disturbances over the past fifty years.^[4][14] The combination of environmental change and the presence of human activity is increasingly detrimental to ecosystems of all types, as our unrestricted actions often increase the risk of abrupt (and potentially irreversible) changes post-disturbance; when a system would otherwise have been able to recover.^[14]

Some behaviors that induce transformation are: human intervention in the balance of local diversity (through introduction of new species or overexploitation), alterations in the chemical balance of environments through pollution, modifications of local climate or weather with anthropogenic climate change, and habitat destruction or fragmentation in terrestrial/marine systems.^[4] For instance, overgrazing was found to cause land degradation, specifically in Southern Europe, which is another driver of ecological collapse and natural landscape loss. Proper management of pastoral landscapes can mitigate risk of desertification.^[15]

Despite the strong empirical evidence and highly visible collapse-inducing disturbances, anticipating collapse is a complex problem. The collapse can happen when the ecosystem's distribution decreases below a minimal sustainable size, or when key biotic processes and features disappear due to environmental degradation or disruption of biotic interactions. These different pathways to collapse can be used as criteria for estimating the risk of ecosystem collapse.^[16][17] Although states of ecosystem collapse are often defined quantitatively, few studies adequately describe transitions from pristine or original state towards collapse.^[18][19]

In another example, 2004 research demonstrated how during the Last Glacial Maximum (LGM), alternations in the environment and climate led to a collapse of Lake Baikal and Lake Hovsgol ecosystems, which then drove species evolution.^[7] The collapse of Hovsgol's ecosystem during the LGM brought forth a new ecosystem, with limited biodiversity in species and low levels of endemism during the Holocene. That research also shows how ecosystem collapse during LGM in Lake Hovsgol led to higher levels of diversity and higher levels of endemism as a byproduct of subsequent evolution.

Im Karbon erstreckten sich Kohlewälder , riesige tropische Feuchtgebiete , über weite Teile Euramerikas (Europa und Amerika). Diese Gebiete boten Lebensraum für hoch aufragende Bärlappgewächse , deren Bestände abrupt zerfielen und zusammenbrachen. ^{[ 8 ]} Der Zusammenbruch der Regenwälder im Karbon wird auf verschiedene Ursachen zurückgeführt , darunter Klimaveränderungen und Vulkanismus . ^{[ 20 ]} Konkret wurde das Klima zu dieser Zeit kühler und trockener – Bedingungen, die dem Wachstum von Regenwäldern und einem Großteil der darin enthaltenen Artenvielfalt nicht förderlich sind. Der plötzliche Zusammenbruch der terrestrischen Umwelt führte zum Aussterben vieler großer Gefäßpflanzen , riesiger Arthropoden und verschiedener Amphibienarten , wodurch samenbildende Pflanzen und Amnioten die Oberhand gewinnen konnten (kleinere Verwandte der betroffenen Arten überlebten jedoch ebenfalls). ^{[ 8 ]}

Die subtropischen Laubwälder von Rapa Nui auf der Osterinsel , die früher von einer endemischen Palme dominiert wurden , gelten aufgrund der kombinierten Auswirkungen von Übernutzung, Klimawandel und eingeschleppten exotischen Ratten als zusammengebrochen. ^{[ 21 ]}

Der Aralsee war ein abflussloser See zwischen Kasachstan und Usbekistan . Einst galt er als einer der größten Seen der Welt, doch seit den 1960er Jahren schrumpft er, nachdem die ihn speisenden Flüsse für großflächige Bewässerung umgeleitet wurden. Bis 1997 war er auf 10 % seiner ursprünglichen Größe zurückgegangen und hatte sich in viele kleinere hypersaline Seen aufgespalten, während ausgetrocknete Gebiete sich in Wüstensteppen verwandelten. ^{[ 1 ] [ 22 ]}

Der Regimewechsel im nördlichen Benguela -Auftriebsgebiet gilt als Beispiel für den Zusammenbruch eines Ökosystems in offenen Meeresumgebungen. ^{[ 23 ]} Vor den 1970er Jahren waren Sardinen die dominierenden Wirbeltierkonsumenten, doch Überfischung und zwei extreme Wetterereignisse ( Benguela Niño 1974 und 1984) führten zu einem verarmten Ökosystem mit hoher Biomasse von Quallen und pelagischen Grundeln . ^{[ 24 ]}

Ein weiteres bemerkenswertes Beispiel ist der Zusammenbruch des Kabeljaubestands der Grand Banks Anfang der 1990er Jahre, als die Überfischung die Fischpopulationen auf 1 % ihres historischen Niveaus reduzierte. ^{[ 10 ]}

Es gilt derzeit noch nicht als zusammengebrochen, ist aber auf dem besten Weg dorthin, wenn nicht eingegriffen wird.

Die nördlichen Savannen Australiens, die Kimberley-Region und die Kap-York-Halbinsel , zählen zu den größten intakten Ökosystemen. Die Kimberley-Region beherbergt 2.000 einheimische Pflanzenarten, die Kap-York-Halbinsel etwa 3.000. Beide Gebiete bieten Lebensraum für Hunderte von Vögeln, Säugetieren, Reptilien und Insekten. Durch brandfördernde Unkräuter hat sich die Landschaft im Laufe der Jahre von Wald- zu Grasland gewandelt. Zusätzlicher Druck durch Klimawandel, Überweidung und Forstwirtschaft hat bereits zu einem deutlichen Rückgang geführt. ^{[ 25 ]}

Die Mangrovenwälder im Norden Australiens verlieren weiterhin Nährstoffe und Landmasse. Ungefähr 7.400 Hektar (18.286 Acres) der Mangroven gingen beim größten jemals verzeichneten Mangrovensterben zwischen 2015 und 2016 verloren. ^{[ 26 ]}

Das Great Barrier Reef verzeichnete seine erste Korallenbleiche im Jahr 1998, die größte Ausbreitung ereignete sich 2020. ^{[ 27 ]} Bis 2023 wurden etwa 50 % der Korallen als abgestorben gemeldet. ^{[ 28 ]} Durch die Korallenbleiche sterben nicht nur die Korallen selbst ab, sondern auch die Organismen, die auf sie zum Überleben angewiesen sind, werden beeinträchtigt. Man geht davon aus, dass das Great Barrier Reef über 9.000 Organismen beherbergt. ^{[ 29 ]} Der anhaltende Rückgang des Great Barrier Reefs ist auf viele Faktoren zurückzuführen, wobei Klimawandel und Umweltverschmutzung die wichtigsten sind .

Weltnaturerbe: Die Shark Bay gilt laut Klimawandel-Vulnerabilitätsindex als besonders gefährdet . Ihr Ökosystem ist die Lebensgrundlage der dort lebenden Bevölkerung, wird aber durch die globale Erwärmung und den Klimawandel stark beeinträchtigt. Seegraswiesen , die den Hauptlebensraum für Fische und andere Meereslebewesen darstellen, sind unter den veränderten Klimabedingungen nicht mehr nachhaltig. ^{[ 30 ]}

Der Große Salzsee von Utah gilt als Schlüsselökosystem und wichtiger Wirtschaftsfaktor für den Bundesstaat Utah. Seit 1850 hat er über 73 % seines Wasserspiegels und 60 % seiner Oberfläche verloren. ^{[ 31 ]} Werden keine drastischen Maßnahmen ergriffen, wird der See voraussichtlich vollständig austrocknen und irreparable Schäden verursachen, die sich auf das Wohlergehen der Tierwelt, die öffentliche Gesundheit, die Umwelt und die Wirtschaft auswirken werden.

Zur Bewertung von Risiken für Ökosysteme und Biodiversität werden häufig zwei Instrumente gemeinsam eingesetzt: generische Risikobewertungsprotokolle und stochastische Simulationsmodelle. Das Risikobewertungsprotokoll ist dabei die bekannteste Methode, insbesondere aufgrund der Roten Liste der Ökosysteme (RLE) der IUCN, die auch bei geringer Datenlage auf viele Ökosysteme anwendbar ist. Da dieses Instrument jedoch im Wesentlichen Systeme anhand einer Liste von Kriterien vergleicht, ist es oft nur bedingt in der Lage, den Rückgang von Ökosystemen ganzheitlich zu betrachten. Daher wird es häufig in Verbindung mit Simulationsmodellen verwendet, die weitere Aspekte des Rückgangs berücksichtigen, wie beispielsweise die Dynamik von Ökosystemen , zukünftige Bedrohungen und sozioökologische Zusammenhänge. ^{[ 17 ]}

Der IUCN-RLE (Risk of Leaked Ecology) ist ein globaler Standard, der entwickelt wurde, um Bedrohungen für verschiedene Ökosysteme auf lokaler, regionaler, nationaler und globaler Ebene zu bewerten und angesichts des beispiellosen Rückgangs natürlicher Systeme im letzten Jahrzehnt Naturschutzmaßnahmen anzustoßen. ^{[ 19 ] [ 33 ]} Obwohl sich diese Bemühungen noch in der Anfangsphase der Umsetzung befinden, verfolgt die IUCN das Ziel, bis 2025 das Risiko des Zusammenbruchs aller Ökosysteme weltweit zu bewerten. ^{[ 19 ]} Das Konzept des Ökosystemzusammenbruchs dient in diesem Rahmen zur Festlegung von Risikokategorien für Ökosysteme, wobei die Kategorie „ Zusammengebrochen “ als Endpunkt der Risikobewertung dient. Andere Bedrohungskategorien (gefährdet, stark gefährdet und vom Aussterben bedroht) werden anhand der Wahrscheinlichkeit oder des Risikos eines Zusammenbruchs definiert. ^{[ 1 ]} Eine Arbeit von Bland et al. schlägt vier Aspekte zur Definition des Ökosystemzusammenbruchs in Risikobewertungen vor: ^{[ 18 ]}

1. qualitative Definition von Anfangs- und Zusammenbruchszuständen
2. Beschreibung von Zusammenbruch- und Erholungsübergängen
3. Identifizierung und Auswahl von Indikatoren für den Zusammenbruch
4. Festlegung quantitativer Zusammenbruchsschwellenwerte.

Wissenschaftler können Kipppunkte für den Zusammenbruch von Ökosystemen vorhersagen. Das am häufigsten verwendete Modell zur Vorhersage des Zusammenbruchs von Nahrungsnetzen ist das sogenannte R50-Modell, ein zuverlässiges Messmodell für die Robustheit von Nahrungsnetzen. ^{[ 35 ]} Es gibt jedoch auch andere Modelle: Beispielsweise können für die Bewertung mariner Ökosysteme die RAM Legacy Stock Assessment Database genutzt werden. In einer Studie wurden 154 verschiedene Meeresfischarten untersucht, um den Zusammenhang zwischen Belastungen der Fischpopulationen wie Überfischung und Klimawandel , Merkmalen dieser Populationen wie der Wachstumsrate und dem Risiko eines Zusammenbruchs des Ökosystems zu ermitteln. ^{[ 36 ]}

Die Messung der „kritischen Verlangsamung“ (CSD) ist ein Ansatz zur Entwicklung von Frühwarnsignalen für einen potenziellen oder wahrscheinlichen Beginn eines drohenden Zusammenbruchs. Sie bezeichnet die zunehmend langsamere Erholung von Störungen. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

Eine Studie aus dem Jahr 2020 legte nahe, dass nach Erreichen eines kritischen Punktes der Zusammenbruch nicht allmählich, sondern rapide erfolgt und dass sich der Amazonas-Regenwald innerhalb von 50 Jahren in eine savannenartige Mischung aus Bäumen und Gras verwandeln und die karibischen Korallenriffe innerhalb von 15 Jahren zusammenbrechen könnten, sobald ein kritischer Zustand erreicht ist. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 32 ]} Eine andere Studie deutete darauf hin, dass große Ökosystemstörungen bei einem intensiveren Klimawandel früher auftreten werden: Im Szenario RCP8.5 mit hohen Emissionen würden die Ökosysteme der tropischen Ozeane als erste vor 2030 abrupte Störungen erfahren, gefolgt von tropischen Wäldern und polaren Gebieten bis 2050. Insgesamt würden 15 % der ökologischen Gemeinschaften einen abrupten Artenverlust von über 20 % erleiden, wenn die Erwärmung schließlich 4 °C (7,2 °F) erreicht. Im Gegensatz dazu würde dies bei weniger als 2 % der Fälle der Fall sein, wenn die Erwärmung unter 2 °C (3,6 °F) bliebe. ^{[ 42 ]}

Der Begriff „Regenwaldkollaps“ bezeichnet den tatsächlichen, vergangenen und theoretischen zukünftigen ökologischen Zusammenbruch von Regenwäldern . Dieser kann eine so starke Fragmentierung des Lebensraums zur Folge haben, dass nur noch wenig Regenwaldbiotop übrig bleibt und Regenwaldarten nur noch in isolierten Rückzugsgebieten überleben können. Lebensraumfragmentierung kann durch Straßen verursacht werden. Wenn Menschen beginnen, Bäume für die Holzgewinnung zu fällen, entstehen Nebenstraßen, die nach ihrer ursprünglichen Nutzung ungenutzt bleiben. Sobald diese Straßen verlassen sind, fällt es den Regenwaldpflanzen schwer, in diesem Gebiet nachzuwachsen. ^{[ 43 ]} Die Fragmentierung des Waldes ebnet auch den Weg für illegale Jagd. Arten haben es schwer, in diesen Fragmenten einen neuen Lebensraum zu finden, was zu einem ökologischen Kollaps führt. Dies führt zum Aussterben vieler Tiere im Regenwald.

In vielen Regenwäldern , darunter auch denen des Amazonas , ist ein klassisches Muster der Waldfragmentierung zu beobachten : ein fischgrätenartiges Muster, das durch den Bau von Straßen in den Wald entsteht. Dies ist äußerst besorgniserregend, nicht nur wegen des Verlusts eines Ökosystems mit vielen unerschlossenen Ressourcen und des massenhaften Sterbens von Lebewesen, sondern auch, weil das Aussterben von Pflanzen- und Tierarten bekanntermaßen mit der Fragmentierung von Lebensräumen korreliert. ^{[ 44 ]}

Eine Studie aus dem Jahr 2022 ergab, dass mehr als drei Viertel des Amazonas-Regenwaldes seit Anfang der 2000er Jahre aufgrund von Abholzung und Klimawandel an Widerstandsfähigkeit verloren haben. Dies wurde anhand der Erholungszeit nach kurzfristigen Störungen (der kritischen Verlangsamung) gemessen und untermauert die Theorie, dass sich der Regenwald einem kritischen Übergang nähert . ^{[ 12 ] [ 11 ]} Eine weitere Studie aus dem Jahr 2022 zeigte, dass tropische, aride und gemäßigte Wälder erheblich an Widerstandsfähigkeit einbüßen. ^{[ 34 ] [ 45 ]}

Ein Hauptanliegen von Meeresbiologen ist der Zusammenbruch von Korallenriff-Ökosystemen. ^{[ 46 ]} Eine Folge des globalen Klimawandels ist der Anstieg des Meeresspiegels, der zum Untergehen von Riffen oder zur Korallenbleiche führen kann . ^{[ 46 ]} Menschliche Aktivitäten wie Fischerei, Bergbau, Abholzung usw. bedrohen Korallenriffe, indem sie deren ökologische Nische beeinträchtigen. So besteht beispielsweise ein nachgewiesener Zusammenhang zwischen einem Verlust der Artenvielfalt von Korallenriffen um 30–60 % und menschlichen Aktivitäten wie Abwasser und/oder Industrieverschmutzung. ^{[ 47 ]}

Kaum ein anderes Ökosystem ist so anfällig für den Klimawandel wie Korallenriffe . Aktualisierte Schätzungen aus dem Jahr 2022 zeigen, dass selbst bei einem globalen Temperaturanstieg von durchschnittlich 1,5 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau nur noch 0,2 % der weltweiten Korallenriffe marinen Hitzewellen standhalten könnten . Aktuell sind es noch 84 %, und bei einem Anstieg von 2 °C und darüber hinaus sinkt dieser Wert auf null. ^{[ 48 ] [ 49 ]} Allerdings wurde 2021 festgestellt, dass jeder Quadratmeter Korallenriff etwa 30 einzelne Korallen beherbergt und ihre Gesamtanzahl auf eine halbe Billion geschätzt wird – das entspricht der Anzahl aller Bäume im Amazonasgebiet oder aller Vögel weltweit. Daher wird prognostiziert, dass die meisten einzelnen Korallenarten nicht aussterben werden, selbst wenn die Korallenriffe ihre Funktion als Ökosysteme, wie wir sie kennen, verlieren. ^{[ 50 ] [ 51 ]} Eine Studie aus dem Jahr 2013 ergab, dass 47–73 Korallenarten (6–9 %) durch den Klimawandel gefährdet sind und bereits auf der Roten Liste der IUCN als vom Aussterben bedroht gelten . Weitere 74–174 Korallenarten (9–22 %) waren zum Zeitpunkt der Veröffentlichung zwar nicht vom Aussterben bedroht, könnten aber durch den fortschreitenden Klimawandel gefährdet werden und sind daher künftig vorrangig zu schützen. ^{[ 52 ]} Die Autoren der jüngsten Schätzungen der Korallenbestände vermuten, dass die älteren Prognosen zu hoch waren, was jedoch umstritten ist. ^{[ 50 ] [ 53 ] [ 54 ]}

Bislang liegen nur wenige Informationen zu effektiven Methoden zur Erhaltung oder Umkehrung des Zusammenbruchs von Ökosystemen vor. Vielmehr konzentriert man sich verstärkt auf die Vorhersagbarkeit des Zusammenbruchs, die Frage, ob er überhaupt möglich ist und ob es sinnvoll ist, ihn zu erforschen. ^{[ 19 ]} Dies liegt wahrscheinlich daran, dass umfassende Studien gefährdeter Ökosysteme eine relativ neue Entwicklung in der Ökologie darstellen, sodass die Dynamik des Zusammenbruchs entweder noch zu jung ist, um beobachtet zu werden, oder sich erst entwickelt. Da die Studien noch nicht langfristig angelegt sind, lassen sich aus neueren, fokussierteren Untersuchungen oft nur schwer Rückschlüsse auf die Umkehrbarkeit oder das Transformationspotenzial ziehen. ^{[ 5 ]}

• Schrumpfung der Arktis
• Ökologische Resilienz
• Ökosystemleistungen
• Umweltzerstörung
• Übernutzung (Ökologie)
• Kipppunkte im Klimasystem