Wissenschaftliche Projekte und Forschungsvorhaben

Das Projekt „Marine Biodiversität – Analyse über zeitliche und räumliche Skalen“ [MarBAS] integriert die Expertisen des Instituts für Biologie und Umweltwissenschaften (IBU) und des Instituts für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) im Bereich der Biodiversitätsforschung mit entsprechenden Kooperationspartnern an der Universität Bremen. Thematisch fokussiert MarBAS dabei auf die funktionelle Rolle der Biodiversität in marinen Ökosystemen, hinsichtlich der Entstehung (Evolution) biologischer Vielfalt, den ökologischen Mechanismen von Koexistenz und Dominanz sowie dem Schutz der Diversität in sich rapid verändernden Ökosystemen. MarBAS wird in sechs Arbeitspaketen (WPs) Analysen über zeitliche und räumliche Skalen auf verschiedenen Ebenen der ökologischen Organisation (von Molekülen zu Ökosystemen) durchführen.

WP1

(PI: Hillebrand, Freund, Feudel [UOL], Hagen, Kucera, Auel [UB]): Die Geschwindigkeit der Biodiversitätsveränderung und ihre Konsequenzen für funktionelle Stabilität in marinen Ökosystemen sind die Kernfragen des WP1. Zum ersten Mal werden hierbei rezente ökologische Datensätze und paläoökologische Datensätze integriert und über eine Zeitspanne von 30.000 Jahren (in einem Fall sogar Millionen Jahre) analysiert und damit die oft angewandte Substitution „Raum für Zeit“ in der Biodiversitätsforschung kritisch hinterfragt. In ökologischen Zeitserien sind Veränderungen der Biodiversität weniger an der Zahl lokal koexistierender Arten zu beobachten, sondern an sich verändernder Artenzusammensetzung und Dominanz. Über Zeit zunehmende Raten des Artenaustausches (zeitliche ß-Diversität) sind daher eine wahrscheinlichere Konsequenz von (z.B.) globaler Erwärmung als eine Zu- oder Abnahme der lokalen Artenzahl. Mit Hilfe von paläo-ökologischen und rezenten Planktondaten werden wir testen, wie die zeitliche ß-Diversität sich natürlich und anthropogen ändert (Ziel 1). Theoretische und empirische Studien zeigen, dass die zeitliche Komplementarität von Arten Ökosystemprozesse (z.B. Primärproduktion) stabilisiert, da die Funktion zu verschiedenen Zeiten durch verschiedene Arten aufrechterhalten wird. Ein großer Teil der o.g. Daten beinhaltet auch Information zu Biomasse oder Produktivität und erlaubt damit zum ersten Mal, diese Idee generell für eine Bandbreite mariner Ökosysteme zu testen (Ziel 2). Neben verschiedenen Zeitskalen werden wir auch räumliche und zeitliche ß-Diversität und funktionelle Stabilität betrachten. Damit beleuchten wir eine der wichtigsten Annahmen der Biodiversitätsforschung, dass räumliche Gradienten eines Umweltfaktors (wie Temperatur entlang von Breitengraden) benutzt werden können, um zukünftige Veränderungen in der Zeit (z.B. durch Erwärmung) vorherzusagen. Daher werden wir die Rate des Artenaustausches bei Temperaturveränderung in einer skalenübergreifenden Analyse über Raum und Zeit ermitteln (Ziel 3). Die Synergie besteht in der Zusammenführung von mathematischer Expertise in Zeitreihenanalyse (Freund, Feudel) und Meta-Analyse (Hillebrand) mit ökologischer Expertise zur Veränderung mariner Biodiversität für paläoökologische Daten zu Foraminiferen (Kucera), Zoo- (Hagen, Auel) und Phytoplankton (Hillebrand).

WP2

(PIs: Gerlach, Blasius [UOL], Hoffmeister [UB]): Der Lebenszyklus vieler mariner Invertebraten besteht aus einer mobilen Larvenphase und einem sessilen Adultstadium. Mit der festen Ansiedlung verlieren die Organismen die Fähigkeit, Konkurrenten oder schlechte Umweltbedingungen zu vermeiden. Allerdings zeigen einige Arten, wie das Nesseltier Hydractinia echinata, eine hohe funktionale Plastizität, indem sie verschiedene Polypentypen als Reaktion auf Konkurrenten und Umweltbedingungen ausbilden (z.B. für Vermehrung, Nahrungsaufnahme, Beutefang und Verteidigung). Des Weiteren besiedelt H. echinata als Symbiont die Schale des Einsiedlerkrebses Pagurus bernhardus und erwirbt wohl damit die Fähigkeit, neue Habitate zu erkunden. In diesem Projekt werden Kosten und Nutzen der funktionalen Plastizität und der Strategien zum Umgang mit innerartlicher Konkurrenz um Siedlungshabitat und deren Auswirkung auf Symbiosen analysiert. Das Projekt verbindet die empirische Expertise in der Bestimmung genotypischer Fitness, des Erfolgs von phänotypischer Plastizität sowie der Wirt-Symbiont Interaktion unter verschiedenen Temperatur- und Nahrungsbedingungen (Gerlach) mit Modellierung: zum einen der dynamischen Prozesse situationsbezogener Polypendifferenzierung und den damit verbundenen Kosten in Bezug auf Funktionalität mittels stochastisch dynamischer Programmierung (Hoffmeister) und der Modellierung der Fitness und Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Strategien mittels merkmalsbasierter, populationsdynamischer Modellierung (Blasius).

WP3

(PIs: Simon, Dittmar [UOL], Hehemann [UB]): Polysaccharide oder Glycane, die von Phytoplankton oder Makroalgen produziert werden, sind Hauptkomponenten des gelösten (DOM) und partikulären organischen Materials der Weltmeere und zentral für den Kohlenstoffkreislauf. Bakterien spielen eine Schlüsselrolle beim Glycanabbau und nutzen spezifische kohlenhydrataktive Enzyme (CAZymes) um Glycane in Oligo- und Monosaccharide zu hydrolysieren. In einigen Bakterien (Hydrolysierer) ist die Glycanhydrolyse und Produktaufnahme eng gekoppelt, während in anderen ein Teil der Produkte hinweg diffundiert und von CAZyme-defizienten Bakterien genutzt werden kann (Nichthydrolysierer). Eng oder schwach gekoppelter Glycanabbau beeinflusst vermutlich das Exometabolom der beteiligten Bakterientaxa. Bisher ist wenig über den Glycanabbau im Kontext von Ökosystemen und Bakteriengemeinschaften bekannt. Dieses Projekt wird mikrobielle und chemische Prozesse aufklären, die mit eng und schwach gekoppeltem Glycanabbau zusammenhängen. Im Projekt werden Expertisen der UOL- und UB-Partner gebündelt im Bereich der Mikro- und Molekularbiologie glycanabbauender Bakterien (Simon), ultrahochauflösender Exometabolom-Analyse mittels FT-ICR-MS (Dittmar) und der biochemischen Charakterisierung der CAZyme (Hehemann).

Postdoctoral Researcher Position in Marine Microbiology for 2 Years

WP4

(PIs: Schupp, Hillebrand [UOL], Bischof, Harder [UB]): Tropische Korallenriffe gehören zu den diversesten marinen Ökosystemen und bilden durch zahlreiche sozioökonomische Dienste (z.B. Einkommen durch Tourismus) und als Nahrungsquelle die Lebendgrundlage für ca. 3 Milliarden Menschen. Durch die wachsende Bevölkerung und damit verbundenen Einflüssen (z.B. Überfischung, Nährstoffeintrag durch Landwirtschaft), sowie natürliche Störungen (z.B. Wirbelstürme) sind Korallenriffe zunehmend gefährdet. In den letzten Jahren wurde zunehmend über Phase-Shifts an Korallenriffen berichtet, bei denen sich Biodiversität und Ökosystemfunktionen von Korallen-dominierten zu Algen- und Schwamm-dominierten Riffsystemen verschieben. Barrot et al. konnten zeigen, dass anthropogen veränderte Bedingungen (z.B. Nährstoffeintrag) das Wachstum von (filamentösen) Algen fördern, was letztendlich zu einem möglichen Phase-Shift hin zu Algen-dominierten Riffen führen kann. Die genauen Mechanismen dieser kompetitiven Interaktionen sind allerdings noch nicht hinreichend untersucht; Daten zum Ausmaß und den Mechanismen der Verdrängung von Korallen durch Schwämme fehlen fast vollständig. Das Projekt vereint Meta-Analysen (Hillebrand), Feld- und Laborarbeiten mit verschiedenen chemischen (Schupp), metabolomischen (Harder) und physiologischen Methoden (Bischof).

WP5

(PIs: Dittmar, Simon, Wilkes [UOL], Bach [UB]): Der hydrothermale Kreislauf spielt eine zentrale Rolle für die Chemie der Tiefsee, bislang gibt es aber nur wenige Studien zum Einfluss auf gelöstes organisches Material (DOM). DOM ist eine wichtige und wenig verstandene Komponente des globalen Kohlenstoffkreislaufes. In Hydrothermalquellen entstammt es biologischen und abiotischen Quellen und es ist als Energie- und Kohlenstoff-lieferant für das Leben und die Biodiversität in hydrothermalen Systemen von entscheidender Bedeutung. Kürzlich konnten wir (Dittmar und Bach) gemeinsam zeigen, dass in Hydrothermalsystemen ansonsten resistente Formen von DOM abgebaut werden und somit die Größe des DOM-Pools über lange Zeiträume hinweg gesteuert wird. Aufbauend auf dieser Kooperation postulieren wir, dass zwei verschiedene Prozesse zur Basis heterotrophen Lebens beitragen. Zum einen könnte Hitze DOM in gasförmige Produkte aufbrechen, die über sekundäre Prozesse anschließend zu kleinen organischen Substratmolekülen rekombinieren. Zum anderen könnte eine Defunktionalisierung die Bioverfügbarkeit von DOM erhöhen. Hydrothermale Experimente und das Erstellen von Massenbilanzen werden von Bach durchgeführt, die detaillierte molekulare Charakterisierung von Dittmar und Wilkes. Dieses Projekt wird im Rahmen innovativer gemeinsamer Experimente neuartige Verbindungen zwischen der organischen Geochemie (Dittmar, Wilkes), der Petrologie (Bach) und der Mikrobiologie (Simon) schaffen.

WP6

(PIs: Hillebrand [UOL], Schulz [UB]): WP6 fokussiert auf Forschungsorientiertes Lernen (FOL) und Capacity Building und wird Lehrkonzepte zwischen beiden Universitäten und unter Einzug von nicht-universitären Instituten in der Region entwickeln. Ausgehend von einer Evaluation der existierenden Studienprogramme und Graduiertenausbildung haben wir drei Aspekte identifiziert, die weiterentwickelt werden sollten, um ein integriertes Nachwuchskonzept in der NordwestAllianz zu erreichen. WP 6 wird Blended-Learning Konzepte entwickeln, um präsenzbasierte und E-learning Konzepte zu verschneiden und die gegenseitige Nutzung der Kurse beider Universitäten zu erhöhen (Ziel 1). Außerdem wird WP6 den für FOL geforderten Wechsel von Lehre zu Lernen unterstützen. Sowohl UB als auch UOL haben bereits Programme für diesen Wechsel in ihren Institutionen etabliert, aber um die Nordwestregion als gemeinsame Ausbildungsregion für Meereswissenschaften zu positionieren, wird WP 6 Kurse zu methodischen Aspekten des FOL etablieren. WP6 wird außerdem die existierenden Strategien beider Universitäten zum Capacity Building in Entwicklungs- und Schwellenländern unterstützen und erweitern, in dem es ein spezifisches Kursprogramm Meereswissenschaften im Übergang vom Bachelor zum Master erarbeitet. Das zu etablierende Programm wird neue Möglichkeiten für Teilnehmende aus Entwicklung- und Schwellenländern eröffnen, denen bisher der Zugang zu den Masterprogrammen aufgrund fehlender Vorkenntnisse verwehrt bleibt. Gleichzeitig wird das Programm über den Status von Vorkursen herausgehen, da es nach Abschluss ein eigenständiges Zertifikat erteilt. Damit wirkt es also gleichzeitig als eigenständiges Programm und als Brücke zu den kompetitiveren Masterprogrammen.