Hell erleuchtete Nächte schaden Mensch und Natur - Wissenschaftler erarbeiten neue Beleuchtungskonzepte

Das internationale Jahr der Astronomie 2009 hat die Aufmerksamkeit auf das Problem der Lichtverschmutzung gelenkt: Aufgrund der immer weiter zunehmenden Beleuchtung von Straßen und Gebäuden gibt es nur noch wenige Orte auf der Erde, an denen es nachts richtig dunkel wird. Astronomen haben daher Schwierigkeiten, den Nachthimmel zu beobachten. Es gibt jedoch noch viele weitere Probleme durch zu helle Nächte. Unter Leitung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) startet nun ein groß angelegtes transdisziplinäres Projekt, in dem Forscher wissenschaftlich fundierte Beleuchtungskonzepte erarbeiten wollen, welche Mensch und Natur gerecht werden. Das erste Treffen der beteiligten Forscher fand am 02.02.2009 am IGB in Berlin statt.

Besonders nachtaktive Tierarten leiden unter der Helligkeit. Aber auch Zugvögel werden von taghell erleuchteten Städten in die Irre geleitet und verlieren viel Energie auf ihrer langen Reise. Insekten schwirren nachts millionenfach auf Lichtquellen zu und werden so von Nahrungssuche und Fortpflanzung abgehalten. In der Gesamtheit können solche Effekte einer künstlichen Beleuchtung wichtige Funktionen des Ökosystems aus dem Gleichgewicht bringen und die Artenvielfalt reduzieren. Viele dieser Zusammenhänge sind noch nicht erforscht. Auch auf die Gesundheit der Menschen hat die fehlende Dunkelheit Auswirkungen.

Prof. Klement Tockner, Direktor des IGB, sagt: „Neben der menschlichen Gesundheit sind besonders Gewässer und gewässernahe Lebensräume von der Beleuchtung betroffen, da Städte in der Regel am Wasser liegen. Wir wollen deshalb ein umfassendes Konzept erarbeiten, das Wissenschaftler aller relevanten Disziplinen einbezieht: Biologen, Astronomen, Mediziner, Architekten und Ingenieure für die technischen Lösungen.“ Ziel des Projekts ist es, die bisherigen vereinzelten Forschungsarbeiten in einen größeren Zusammenhang zu stellen. Daraus werden dann innovative Beleuchtungskonzepte zunächst für Gebiete in Berlin und Brandenburg entwickelt. Die Öffentlichkeit und speziell Anwohner sollen von Beginn an einbezogen werden, denn ohne die breite Akzeptanz in der Bevölkerung ist ein solches Konzept nicht umzusetzen.

In das Projekt soll auch die kulturelle Bedeutung der Nacht einfließen: Welchen Einfluss hat die Dunkelheit auf die Ruhe des Menschen, was bedeutet sie für die Kunst? Aber Dunkelheit löst auch Angst aus. Nutzen und Schaden des Kunstlichts sollen gegenübergestellt werden: Helligkeit erhöht die Sicherheit und ermöglicht viele gesellschaftliche Aktivitäten. Andererseits bedeutet überflüssige Beleuchtung Energieverschwendung mit negativen Effekten auf das Klima, und die Zerstörung von Natur verursacht oft ungeahnte Kosten – so kann das Aussterben bestimmter Insektenarten zu Ernteeinbußen führen, da die Pflanzen nicht mehr bestäubt werden.

Doch nicht nur das Licht verändert die Nacht, auch der Klimawandel hat einen großen Einfluss: die Temperaturerhöhung ist in Städten nachts oft größer als am Tag. Auch dieser Aspekt wird in dem Projekt berücksichtigt.

Partner in dem Projekt:

• Koordination: Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, Berlin  (IGB)
• Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung, Berlin (IZW)
• Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP)
• Deutsches Primatenzentrum, Göttingen (DPZ)
• Institut für Arbeitsphysiologie an der Universität Dortmund (IfaDO)
• Leibniz-Institut für Regionalentwicklung und Strukturplanung, Erkner (IRS)
• Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, Greifswald (INP)
• Freie Universität Berlin (Institut für Biologie, Institut für Weltraumwissenschaften)
• Technische Universität Berlin (Institut für Stadt- und Regionalplanung, Institut für Energie- und Automatisierungstechnik)

Nahrungsketten: Das Chaos regiert

Die traditionelle Idee des Gleichgewichts in der Natur wird durch eine Studie, die in der aktuellen Ausgabe von Nature (Band 451, S. 822) erschien, in Frage gestellt. Basierend auf einem über mehrere Jahre laufenden Laborexperiment zeigten holländische Wissenschaftler, dass Arten in einem marinen Nahrungsnetz selbst unter konstanten Bedingungen chaotischen Schwankungen unterworfen sind. Dies macht eine langfristige Vorhersage der Artenhäufigkeit unmöglich. Zu den Autoren der Arbeit gehört auch Dr. Klaus D. Jöhnk, seit kurzem beim Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB). Er sagt: „Diese Arbeit ist ein Durchbruch beim Nachweis chaotischen Verhaltens in Nahrungsnetzen.“

http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7180/abs/nature06512.html

Theoretische Ökologen haben bereits in den 1970er Jahren darauf hingewiesen, dass Populationen von Pflanzen und Tieren auch ohne äußere Einflüsse in einer unvorhersehbaren Art und Weise fluktuieren können. Diese Vorhersagen, abgeleitet aus der Chaos-Theorie, zogen heftige Debatten nach sich. Nur wenige Wissenschaftler glaubten, dass Arten in natürlichen Ökosystemen solche chaotischen Schwankungen aufweisen würden. Die allgemeine Auffassung war, dass Fluktuationen nur durch eine Variation der äußeren Bedingungen zustande kommen, etwa durch Klimaveränderungen oder anderen Störungen des natürlichen Gleichgewichts. Diese klassische Perspektive wurde nun durch neue Forschungsergebnisse von Elisa Benincà und Jef Huisman von der Universität von Amsterdam, Niederlande, in Zusammenarbeit mit Kollegen aus anderen Forschungseinrichtungen in den Niederlanden, Deutschland und den Vereinigten Staaten radikal verändert.

Der Kern ihrer Arbeit besteht aus einem Laborexperiment mit einer aus Ostseewasser isolierten Planktongemeinschaft. Mehr als acht Jahre lang hielt der Rostocker Biologe Reinhard Heerkloss die Planktongemeinschaften unter konstanten Licht- und Temperaturbedingungen und maß zweimal in der Woche die Entwicklung der verschiedenen Planktonarten. Zu seiner großen Überraschung näherten sich die Abundanzen (Häufigkeiten der Organismen) der Planktonarten keinem Gleichgewichtszustand sondern fluktuierten ungewöhnlich stark. Eine statistische Analyse der Zeitreihen zeigte, dass diese Fluktuationen nicht etwa stochastischer Natur waren, sondern durch das dynamische Verhalten des Nahrungsnetzes selbst erzeugt wurden. Mit fortgeschrittenen Techniken der nichtlinearen Zeitreihenanalyse konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es sich um deterministisch chaotisches Verhalten handelt.

Laut Elisa Benincà haben diese Ergebnisse weitreichende Konsequenzen: „Unsere Resultate zeigen, dass die Planktonabundanz in komplexen Nahrungsnetzen langfristig nicht vorhersehbar ist. Bestenfalls kann man eine Schwankungsbreite angeben. Bisher gingen wir davon aus, dass ein detaillierteres Verständnis der relevanten Prozesse es uns erlauben würde immer bessere Vorhersagen der Planktonabundanz zu erhalten, etwa auch im Hinblick auf die Reaktion auf externe Störungen wie einem Klimawandel. Wir wissen nun, dass dies nur eingeschränkt möglich ist.“ Theoretische Studien hatten bereits aufgezeigt, dass chaotisches Verhalten in Nahrungsnetzen möglich ist. Ein experimenteller Nachweis solchen Verhaltens konnte aber auf Grund unzureichender Langzeitdaten bis jetzt nicht durchgeführt werden.

Über den Mitautor Klaus D. Jöhnk:

Während einer vierjährigen Postdoc Anstellung an der Universität Amsterdam hat Dr. Klaus D. Jöhnk diese Studie mit initiiert und an der Auswertung der Langzeitdaten mit modernen Verfahren der nichtlinearen Zeitreihenanalyse gearbeitet. Seit August 2007 ist er Projektmitarbeiter in der Arbeitsgruppe „Molekulare Ökologie“ von Dr. C. Wiedner an der Abteilung Limnologie geschichteter Seen des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei in Neuglobsow. Seine Hauptaufgabe ist die Entwicklung mathematischer Modelle zur Prozessanalyse, Simulation und Prognose des Auftretens nostocaler Cyanobakterien in Seen.

Der Mensch greift seit Jahrtausenden bewusst in die Evolution von Tieren und Pflanzen ein: Er züchtet beispielsweise Getreide und Nutztiere oder einfach nur besonders schöne Blumen. Er unternimmt jedoch auch unbeabsichtigte Eingriffe in die genetische Ausstattung von Flora und Fauna, die mit großen Risiken verbunden sind, beispielsweise die zunehmende Resistenz von Krankheitserregern gegen Antibiotika. Auf einen derartigen Selektionsprozess durch die globalen Fischereiaktivitäten der Menschen weist eine internationale Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Fachmagazin Science hin. Demnach wirkt die selektive Fischerei als Evolutionsfaktor bei stark befischten Fischarten, und zwar stärker und schneller als bisher gedacht.

Dadurch drohen der Fischereiwirtschaft erhebliche Schäden, wenn zum Beispiel die die Fischerei überlebenden Fische genetisch bedingt früher geschlechtsreif werden und als Folge der früher in die Fortpflanzung investierten Energie insgesamt kleiner bleiben. Im Durchschnitt kleinere Fische bringen weniger Geld oder werden von Anglern weniger begehrt. In Science heißt es, die Konsequenzen der Fischerei-induzierten Evolution könnten auch aus biologischer Sicht relevant sein, weil sich durch die Veränderung der Körpergröße beispielsweise Nahrungsnetzbeziehungen und andere ökologische Prozesse ändern könnten. „Wir brauchen einen evolutionsbiologischen Ansatz für das Fischerei- Management“, sagt Prof. Robert Arlinghaus, und spricht damit aus, was die gesamte Forschergruppe denkt. Der Nachwuchswissenschaftler vom Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) ist einer der Autoren des Review-Artikels in Science, der ein Ergebnis eines im Rahmen des Paktes für Forschung und Innovation der Leibniz-Gemeinschaft geförderten Projekts aus der ersten Förderphase ist (www.adaptfish.igb-berlin.de).

Arlinghaus hat zusammen mit seinen Doktorandinnen und Doktoranden sowie internationalen Kooperationspartnern einen evolutionären Forschungsansatz für Binnengewässer entwickelt. Er betrachtet die Angelfischerei als möglichen Selektionsfaktor auf die Süßwasserfischbestände, etwa Hecht, Zander und Barsch. Was bei heimischen Seen und Flussläufen als ein beherrschbares Problem erscheint, das etwa mit Besatzmaßnahmen oder stringenteren Entnahmebestimmungen zu korrigieren ist, ist im Maßstab der Weltmeere nahezu unkalkulierbar. Arlinghaus fasst die Kernbotschaft der Arbeit zusammen: „Die Frage ist nicht, ob Fischereidruck die Evolution der Arten beeinflusst, sondern wie schnell.“ Es müsse bedacht werden, dass Fischerei-induzierte genetische Veränderungen womöglich unumkehrbar sind. Die Art und Weise der Befischung von Süß- und Salzwasserfischen sei vergleichbar einer Zucht durch Auslese. „Allerdings mit unbeabsichtigten Züchtungsergebnissen“, fügt Arlinghaus hinzu. Kommerzielle Fischerei ist für viele Spezies weltweit die Todesursache Nummer 1 geworden. Teilweise übersteigt die Sterblichkeitsrate durch Fang die natürliche Sterblichkeit um das Vierfache. Die Folgen: Fische werden schneller geschlechtsreif, investieren mehr Energie in die Reproduktion, bleiben im Mittel kleiner und zeigen physiologische und verhaltensbasierte Änderungen. Durch die Evolution steigt auch der Anteil der „scheuen“, sich eher dem Fischfang entziehenden Fische, mit ungeahnten Konsequenzen für die natürliche Reproduktion (und das Anglerglück).

Obgleich noch immer nicht vollständig geklärt ist, ob diese Anpassungen in jedem Falle genetisch bedingt sind oder alleine ein Ausdruck der Veränderung von Nahrungs- und anderen Umweltbedingungen sind, erscheint Fischerei-induzierte Evolution in vielen Fällen als die plausibelste Erklärung der beobachteten Veränderungen. Im Kern geht es also nicht nur um ein interessantes wissenschaftliches Phänomen, sondern um eine globale Bedrohung für die Fischbestände und die Fischereiwirtschaft.

Was aber kann die Wissenschaft dagegen tun? Die Autoren in Science schlagen vor, das Management der Fischbestände in den Weltmeeren und andernorts auf einem evolutionsbiologischen Ansatz aufzubauen. Die entsprechenden Techniken werden derzeit in mehreren Gruppen weltweit erforscht. Arlinghaus: „Das würde zunächst einmal helfen, besonders empfindliche Bestände zu identifizieren.“ In der Folge sei es wichtig festzustellen, welche Veränderungen genau der Fischereidruck hervorrufe und welchen Einfluss sie auf den Wert der Fischbestände für die Fischereiwirtschaft und die hobbymäßige Angelfischerei haben. Mittels populationsdynamischer Modelle könnte man dann Szenarien berechnen, mit welchen Managementinstrumenten der Fischerei-induzierten Evolution Einhalt geboten werden könnte. Das wiederum könne dazu beitragen, die Fischbestände so zu managen, dass sie langfristig mit hohem Ertrag für den Menschen genutzt werden können. Derzeit sei es so, dass gerade jene Individuen, die die natürlichen Gefahren schadlos überstanden haben und als Folge groß und fruchtbar geworden sind, am Haken oder im Fischernetz landen. „Das hat schwer prognostizierbare Konsequenzen für die langfristige Entwicklung und den Erhalt natürlicher Fischbestände“, sagt Arlinghaus und fügt hinzu: “Momentan heißt es in vielen befischten Beständen nicht ‚die von Natur aus Fittesten leben länger’,, sondern ,die Fittesten sterben eher’.“

Quelle: C. Jørgensen et al.: “Managing Evolving Fish Stocks” in Science, Bd. 318, 23. November 2007, S. 1247.

Ansprechpartner: Prof. Robert Arlinghaus, 030 / 6 41 81-653, Email

Buhnen sind vom Ufer ausgehende Holz- oder Steinaufschüttungen in Gewässern. Sie wurden vor allem aus wirtschaftlichen Gründen gebaut, um bei Niedrigwasser die Wasserstände für die Schifffahrt zu erhöhen. Naturschützer sprechen sich oft gegen einen solchen Eingriff in die Natur und die Einflussnahme auf die Fließgeschwindigkeit des Flusses aus. Doch die Kritik ist häufig unberechtigt. Die Spree wenige Kilometer südlich von Berlin. Ingo Schnauder watet vorsichtig durch das flache Spreewasser. Von einer Buhne zur anderen. Sieben Versuchsbuhnen von je sieben Meter Länge haben die Flussforscher des Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei gebaut. Aus Plastik und Holz. Erstmals wollen sie draußen im Fluss die Strömung zwischen den Buhnen und in der Flussmitte genau erforschen:

"Wenn es um Buhnen geht, sind sehr wenig Daten vorhanden aus der Natur. Die meisten Sachen, die man darüber weiß, kommen aus Laborversuchen mit sehr kleinen Wassertiefen in Versuchsrinnen."

"In den letzten Jahren werden Buhnen zunehmend mit Problemen der Flussökologie in Verbindung gebracht. Früher wurden sie gebaut, um technische Probleme im Fluss zu lösen wie die Navigationsfähigkeit der Schiffe zu verbessern oder die Bildung von Sandbänken zu verhindern oder einfach das Flussufer zu stabilisieren. Wir wollen jetzt die Stofftransporte im Wasser und im Sediment genau erforschen."

"Die Interaktion zwischen den Buhnen und dem Hauptstrom ist sehr wichtig. Die Buhnen produzieren im Hauptstrom eine Menge Turbulenzen, die das Flusssediment beeinflussen. Es gibt lokale Erosion und die Bewegung von Material."

"Überall dort, wo eine Vielfalt ist von Strömungsstrukturen und Geschwindigkeiten, wird natürlich auch der Lebensraum für Fische oder andere Organismen im Fluss, auch natürlich Pflanzen - alles wird viel interessanter, wenn man eine variable oder abwechslungsreiche Strömung hat. Das konnten wir auch beobachten. Nach Einbau dieser Buhnen sind plötzlich ganz andere Fische gekommen und haben sich auch sehr gerne im Bereich der Buhnen aufgehalten im Vergleich zu vorher."

Ansprechpartner:

Jörn Geßner, IGB Berlin (Tel.: 030–64181626, E-Mail)

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