Emmett Duffy tauchte gerade vor der Küste Panamas in einer Wassertiefe von etwa fünf Metern, als ein riesiger, braun-weiß gefärbter Igelfisch seine Aufmerksamkeit weckte. Das langsam dahinschwimmende Tier wäre eine leichte Beute für räuberische Organismen gewesen, hätten ihm nicht die großen, baumartigen Äste einer Elchgeweihkoralle (Acropora palmata) Schutz geboten. Für den Meeresbiologen Duffy war diese Beobachtung eine Art Aha-Erlebnis. Der Wissenschaftler hatte bei früheren Tauchgängen in der Karibik bereits Gebiete mit kleinwüchsigen Korallen in größerer Zahl und Formenvielfalt gesehen und ihm war aufgefallen, dass auch die dort lebenden Fische allesamt von geringer Körpergröße waren. Hier allerdings, in den Gewässern um die Inselgruppe Bocas del Toro im Nordwesten Panamas, entdeckte Duffy eine Vielzahl stattlicher Fische inmitten der Elchgeweihkorallen. "Diese großen Fische konnten sich so gut entwickeln, da ihnen gewisse Lebensräume sowohl Nahrung als auch Versteckmöglichkeiten boten", erklärt der Meeresbiologe.

Die Begegnung mit dem Gepunkteten Igelfisch (Diodon hystrix) erweckte einen Gedanken zum Leben, der schon seit Längerem im Kopf des Wissenschaftlers herumgeisterte. Demzufolge hängt die Gesundheit eines Ökosystems möglicherweise nicht allein von der Anzahl der dort lebenden Arten ab, sondern auch von der Diversität ihrer Merkmale beziehungsweise Eigenschaften. Jenes Konzept der so genannten "functional-trait ecology", einer auf funktionellen Eigenschaften basierenden Ökologie, sei viele Jahre lang Gegenstand seiner experimentellen Arbeit gewesen, habe jedoch immer etwas Akademisches, Abstraktes an sich gehabt, erzählt der Meeresbiologe und jetzige Leiter des Tennenbaum Marine Observatories Network der Smithsonian Institution in Washington, D.C.

Tatsächlich liegt die Auffassung, nach der es bei Biodiversität nicht ausschließlich um die Zahl der Vertreter einer Art innerhalb eines Ökosystems geht, bei Ökologen zunehmend im Trend. Ebenso wichtig für die Erhaltung der Gesundheit und Resilienz natürlicher Lebensgemeinschaften sind die vielfältigen artspezifischen Merkmale, gemessen in speziellen Eigenschaften wie etwa Körpergröße oder Astlänge, und deren Wirkungen, so die Meinung vieler Wissenschaftler. Ein derartiges Umdenken könnte weit reichende Folgen für die Umweltforschung haben. Vielleicht ist die neue Sichtweise sogar unerlässlich, um zu verstehen, wie Pflanzen und Tiere mit einem sich verändernden Klima fertig werden und um diesbezüglich Vorhersagen treffen zu können. Mittlerweile beeinflusst das Konzept der funktionellen Diversität auch Überlegungen von Ökologen hinsichtlich des Naturschutzes; einige Regierungen haben den Eigenschaftsbegriff sogar schon in ihre umweltpolitischen Richtlinien aufgenommen. So wurden beispielsweise vor einigen Jahren bestimmte Papageifischarten in Belize unter Schutz gestellt, um deren Überfischung zu verhindern – nicht etwa auf Grund schwindender Bestände, sondern weil die Fische die Korallen von anhaftenden Algen befreien und somit wesentlich zur Erhaltung der Riffe beitragen.

"Wir als Forscher müssen bei der Bewertung von Daten sehr bedachtsam vorgehen und uns deren begrenzte Verfügbarkeit bewusst machen"
Walter Jetz

"Wenn wir nur auf Artenzahlen schauen, haben wir praktisch keine Möglichkeit, die unglaubliche Fülle an Informationen zu nutzen, die uns über die Prozesse in der realen Welt zur Verfügung stehen", argumentiert Sandra Díaz, die als Ökologin beim argentinischen Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) sowie an der Universidad Nacional de Córdoba tätig ist. Dennoch äußern einige Experten Bedenken. Nach wie vor sorgt die Definition des Merkmalsbegriffs für Diskussionen, und ohne solide Daten über die Vielfalt von Arten und deren Eigenschaften an diversen Orten auf der ganzen Welt könnten sich Entscheidungen auf der Basis dieses Ansatzes möglicherweise als kurzsichtig herausstellen. "Ich bin wirklich voller Enthusiasmus, mache mir aber auch Sorgen", betont Walter Jetz, Ökologe und Evolutionsbiologe an der Yale University in New Haven, Connecticut. "Wir als Forscher müssen bei der Bewertung von Daten sehr bedachtsam vorgehen und uns deren begrenzte Verfügbarkeit bewusst machen."

Jahrzehntelang war die Biodiversitätsforschung ein reines Zahlenspiel: Je mehr Arten ein Ökosystem umfasste, desto stabiler und widerstandsfähiger würde es sich gegenüber Veränderungen erweisen, so die allgemeine Auffassung. Diese Sichtweise leuchtete durchaus ein, standen doch hinsichtlich der Strukturen von Lebensgemeinschaften und der Funktionen ihrer jeweiligen Arten bis dato nur äußerst wenige Informationen zur Verfügung. Es gab schlichtweg keine Technologien zur Erfassung der zahlreichen Eigenschaften und zur weiteren Verarbeitung der riesigen Datenmengen, die aus solchen Messungen hätten resultieren können. Umfangreiche technische Errungenschaften haben jedoch inzwischen Abhilfe geschaffen. Fortschritte auf dem Gebiet der Molekularbiologie ermöglichen die Untersuchung von Mikroorganismen im großen Stil, mit Hilfe von Satelliten können Merkmale wie etwa Baumkronenhöhe und Produktivität des marinen Planktons erfasst werden, und sprunghafte Entwicklungen bei Statistikprogrammen und Rechenleistung haben dazu beigetragen, dass aus all den Daten nützliche Erkenntnisse gewonnen werden können.

Zusammenhang zwischen Diversität und Stabilität ist nicht linear

Die neue Denkweise in Bezug auf Ökosysteme, zumindest was die wissenschaftliche Forschung betrifft, führen viele auf den Ökologen David Tilman von der University of Minnesota in St. Paul zurück. 1994 publizierte der Wissenschaftler eine bahnbrechende Veröffentlichung über die Entwicklung der Artenvielfalt im Grasland von Minnesota während einer schweren Dürre in den 1980er Jahren. Der Forscher fand heraus, dass artenreiche Gebiete die anhaltende Trockenheit wesentlich besser überstanden als solche mit wenigen Spezies und bekräftigte somit den Zusammenhang zwischen Diversität und Stabilität. Doch die Beziehung erwies sich als nicht linear, denn es bedurfte nur einiger weniger dürreresistenter Gräser, um die Regenerationsfähigkeit einer Versuchsfläche deutlich zu steigern.

Im Jahr 1997 veröffentlichten Tilman und Mitarbeiter Ergebnisse einer weiteren Studie, in deren Rahmen die Forscher 289 experimentelle Graslandflächen mit unterschiedlichen Artenzahlen bepflanzt hatten, die zudem verschiedene funktionelle Diversitätsebenen repräsentierten. In diesem Fall bewirkte allerdings das Vorhandensein bestimmter Eigenschaften, etwa die C4-Fotosynthese oder die Fähigkeit zur Stickstofffixierung, den entscheidenden Unterschied im allgemeinen Gesundheitszustand der Flächen und weniger die Anzahl der Arten. Ungefähr zur selben Zeit begann auch Shahid Naeem, Direktor des Earth Institute Center for Environmental Sustainability an der Columbia University in New York City, bei seiner Erforschung von Ökosystemfunktionen über die reine Artenzahl hinauszugehen und stattdessen die Artenvielfalt auf unterschiedlichen Stufen des Nahrungsnetzes zu untersuchen. Wenn man nur die Zahl der Spezies betrachte, sei es, als würde man die Teile eines Autos auflisten, ohne ihre jeweilige Funktion zu benennen, meint der Wissenschaftler. Im Fall einer Panne sei dies allerdings nicht besonders hilfreich. "Dann stehen wir da, kratzen uns fragend am Kopf wie Menschen, die noch nie in ihrem Leben ein Auto gesehen haben, und sagen: 'Das Auto funktioniert nicht, ich frage mich, was wohl mit ihm nicht in Ordnung ist'."

Mitte der 1990er Jahre fing die funktionelle Diversitätsforschung allmählich an, sich zu etablieren. Die ersten Untersuchungen umfassten Pflanzen und Wälder, da diese Systeme relativ leicht zu manipulieren sind. Doch nach und nach weitete sich der Ansatz auch auf Vögel, Meeresorganismen und Böden aus. Diana Wall, Bodenökologin an der Colorado State University in Fort Collins, macht deutlich, sie und ihre Kollegen hätten schon seit Jahren ihr Augenmerk auf funktionelle Merkmale und Diversität gelegt; dies sei zum Teil dem Umstand geschuldet, dass die Aktivitäten bodenlebender Mikroorganismen oftmals leichter zu bestimmen seien als die eigentlichen Arten. Die Wissenschaftlerin zeigt sich begeistert, dass auch andere Forscher um ein besseres Verständnis für ober- und unterirdisch lebende Spezies und deren Eigenschaften bemüht sind. "Neue Erkenntnisse an beiden Fronten liefern uns detailliertere Einsichten in die Abhängigkeit von Arten und Funktionen", ergänzt Wall.

Seltene Funktionen bestimmter Arten gesucht

Auch Naturschutzbiologen äußern sich enthusiastisch angesichts der funktionellen Eigenschaften, denn diese könnten Entscheidungen über schützenswerte Regionen maßgeblich beeinflussen. Üblicherweise konzentrierten sich Wissenschaftler und Umweltschützer in diesem Zusammenhang auf Gebiete mit besonders großem Artenreichtum, etwa den Amazonasregenwald oder das Great Barrier Reef vor der Küste Australiens. Rick Stuart-Smith, Ökologe an der University of Tasmania in Taroona, Australien, schlägt jedoch vor, den Begriff der so genannten Biodiversität-Hotspots, der ökologischen Brennpunkte, neu zu definieren. Die Einbindung funktioneller Eigenschaften könnte nämlich jene Regionen in den Blickpunkt rücken, die bislang wenig wissenschaftliches Interesse fanden. Allerdings hält Stuart-Smith eine Ausweisung geeigneter Gebiete für verfrüht, denn zunächst sind weitere, tiefer gehende Forschungsarbeiten erforderlich. Doch letzten Endes sollte eine auf funktionellen Merkmalen basierende Ökologie sowohl in Naturschutzstrategien als auch in staatlichen Entscheidungsprozessen zur Festlegung von Schutzgebieten Eingang finden, so der Ökologe.

Zudem könnte das neue Diversitätsverständnis bislang unerkannte Schwachstellen enthüllen. Artenreiche Regionen hätten scheinbar eine Art Versicherung gegen den Verlust von Eigenschaften abgeschlossen, da offenbar viele Arten ähnliche funktionelle Eigenschaften besäßen, meint David Mouillot, Meeresökologe an der Université de Montpellier in Frankreich. Dennoch werden gewisse Funktionen nur von einer Art oder einigen wenigen Spezies erfüllt – und genau diese seltenen Funktionen möchten Mouillot und seine Mitarbeiter unbedingt ausfindig machen.

Die Linse der funktionellen Diversität trägt auch dazu bei, ein detaillierteres Bild von Ökosystemen zu liefern. Greg Asner, Ökologe am zur Carnegie Institution of Science gehörenden Department of Global Ecology an der Stanford University in Kalifornien, kartierte unter Verwendung eines speziellen abbildenden Spektrometers 15 Merkmale peruanischer Wälder. In konventionellen Untersuchungen, die sich ausschließlich am Artenreichtum orientierten, habe man in Peru drei verschiedene Waldtypen identifiziert: Trocken-, Überschwemmungs- und Sumpfwälder, erläutert Asner. Der Wissenschaftler und sein Team hingegen versuchten, Eigenschaften ausfindig zu machen, mit deren Hilfe neue funktionelle Einheiten charakterisiert werden konnten, und sie fanden schließlich sieben Schlüsselmerkmale heraus. Auf Grundlage dieser Eigenschaften nahmen die Forscher eine Einteilung der Wälder in 36 Klassen vor, von denen jede eine unterschiedliche Kombination der sieben Schlüsselmerkmale repräsentierte. Die Ergebnisse dieser Studie dienten unter anderem dazu, die verschiedenen Naturschutzmaßnahmen in Peru auf eine einheitliche Basis zu stellen.

"Wir haben einfach nicht das Wissen und die Technologie, einen Wald von Grund auf so aufzubauen, wie es im Lauf der natürlichen Entwicklung geschieht"
Greg Asner

Asner berichtet weiter, er habe zudem eine Anfrage zur Identifizierung einer 400 000 Hektar großen Landfläche im Norden Borneos erhalten, die auf der Grundlage funktioneller Eigenschaften unter Naturschutz gestellt werden soll. "Die Menschen wollen wissen, wo sich die Millionen Hektar Land mit der größten Vielfalt an Merkmalen befinden", erläutert der Wissenschaftler. "Wo lässt sich ein Zaun um die höchste funktionelle Variabilität ziehen?" Dieses Interesse bestärkt ihn und andere Forscher in ihrer Arbeit, denn Ökosysteme stellen derartig komplexe Strukturen dar, dass es nahezu unmöglich ist, bestimmte Arten, Funktionen oder ganze Ökosystemprozesse zurückzugewinnen, wenn diese erst einmal verloren gegangen sind – zumindest nicht mit den aktuellen Techniken und dem derzeitigen Wissensstand. "Wir haben einfach nicht das Wissen und die Technologie, einen Wald von Grund auf so aufzubauen, wie es im Lauf der natürlichen Entwicklung geschieht", verdeutlicht Asner.

Allerdings raten einige Experten davon ab, Entscheidungen auf der Basis funktioneller Eigenschaften zu treffen, bevor nicht umfassendere Daten zur Verfügung stehen. "Sobald auch nur eine einzige Art in der Datenmatrix fehlt, geht einem womöglich eine entscheidende Funktion durch die Lappen, die nur von dieser Spezies erfüllt wird", gibt Walter Jetz zu bedenken, der sich in der Vergangenheit mit der Erforschung funktioneller Merkmale von Pflanzen und Wirbeltieren, insbesondere Vögeln beschäftigte. Seine Warnung bezieht sich nicht nur auf lückenhafte Daten, sondern auch auf Verzerrungen, die beispielsweise aus der Wahl des Probennahmegebiets resultieren, denn die Entscheidungen für oder gegen bestimmte Regionen oder Lebensräume könnten Datensätze in eine Schieflage bringen.

Umfassende Datenbank von natürlichen Eigenschaften

Auch Shahid Naeem wünscht sich konzertierte globale Anstrengungen zur Schaffung einer vollständigeren und umfassenderen Datenbank von Eigenschaften der natürlichen Welt. "Wenn wir uns für ein Forschungsgebiet wirklich begeistern, bedarf es einer größeren Investition und der gemeinsamen Bemühungen aller Beteiligten, um an die notwendigen Daten zu kommen", betont der Forscher. Einige Arbeiten zur Einrichtung solcher Datenbanken sowohl für terrestrische als auch aquatische Lebensräume sind bereits im Gang. Ein internationales Netzwerk von Pflanzenwissenschaftlern beschäftigt sich beispielsweise seit 2007 mit dem Aufbau einer öffentlich zugänglichen Datenbank pflanzlicher Merkmale und Funktionen, die unter dem Namen TRY vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena bereitgestellt wird und in der bereits Einträge von mehr als 100 000 Pflanzenarten zu finden sind.

Die ReeFish-Datenbank unter der Leitung von David Mouillot verfolgt das Ziel, Informationen über Merkmale und geografische Verbreitung sämtlicher Fischarten tropischer Korallenriffe zur Verfügung zu stellen. Und der Reef Life Survey, ein weiteres Projekt, das 2007 von Rick Stuart-Smith und dem Meeresökologen Graham Edgar in Tasmanien ins Leben gerufen wurde, kann mit Datensätzen der Eigenschaften von mehr als 5000 Spezies aus allen Weltmeeren aufwarten. Emmett Duffy, der mittlerweile den Vorsitz des von der Smithsonian Institution geleiteten Forschungsprogramms Marine Global Earth Observatory übernommen hat, sieht sein Projekt als eine "große Chance, die Zusammenhänge zwischen Diversität und der Funktionsweise mariner Ökosysteme im globalen Maßstab auszuloten". Bislang umfasst das Netzwerk zehn Standorte; der Aufbau einer weltweiten Präsenz ist jedoch angedacht.

Trotz zahlreicher laufender Forschungsarbeiten und des breiten Konsenses, bei der Untersuchung von Ökosystemen funktionelle Eigenschaften in den Vordergrund zu stellen, gibt es offenbar noch keine eindeutige Definition, was ein Merkmal eigentlich ausmacht. Schon die Einigung auf einen Begriff, der sowohl Pflanzen- als auch Tierreich einschließt, könnte Probleme bereiten. Wie stark sollte man zudem bei der Definition ins Detail gehen? Reicht es aus, sich auf äußerlich erkennbare Merkmale wie etwa Blattgröße zu beschränken, oder sollte der Begriff sogar auf individuelle Gensequenzen ausgedehnt werden?

Was genau macht ein Merkmal aus?

Das Nahrungsspektrum stellt offensichtlich eine Grauzone dar. Während einige Wissenschaftler bei der Beurteilung der funktionellen Eigenschaften eines Organismus Ernährungsmuster berücksichtigen, indem sie beispielsweise untersuchen, ob die Nahrung eines Tiers aus einer Vielzahl von Organismen oder vielleicht nur aus einer einzigen ganz bestimmten Pflanzenart besteht, spötteln andere Forscher über diesen Ansatz. "Was nicht im Genom fixiert ist, ist auch kein Merkmal", macht Naeem deutlich und weist darauf hin, dass Füchse zwar bestimmte Nahrungsvorlieben hätten, bei entsprechender Gelegenheit aber auch Fertignahrung für Hunde fressen würden. Auf Gene zurückzuführende Eigenschaften, etwa die Größe der Zähne eines Räubers, beeinflussten dagegen den Speiseplan eines Tiers und erlaubten somit Rückschlüsse auf die Ernährungsgewohnheiten, ergänzt der Wissenschaftler.

Interaktionen zwischen Spezies stellen ebenfalls ein heiß diskutiertes Thema dar. Einige Wissenschaftler könnten das Verhalten eines unter Korallen Schutz suchenden Igelfischs, wie es Duffy vor der Küste Panamas beobachtete, möglicherweise als eine zwischenartliche Beziehung interpretieren und nicht als Eigenschaft werten. Duffy allerdings ist der Überzeugung, dass Eigenschaften das Zusammenspiel von Arten sowohl beeinflussen als auch widerspiegeln, denn im Fall des Igelfischs sind es schließlich die Merkmale der Koralle – die Struktur und Größe ihrer Äste – die es den Fischen ermöglichen, in diesem Lebensraum zu gedeihen.

Ein weiterer Streitpunkt ist die Frage, ob man Eigenschaften hinsichtlich ihrer ökosystemaren Bedeutung einstufen sollte. So beschäftigen sich einige Forscher mit der Identifizierung der nützlichsten Merkmale, während andere, unter ihnen auch Mouillot, einen eher agnostischen Ansatz verfolgen. "Wir weisen ihnen keine Rangordnung zu und sagen, zwei oder drei funktionelle Eigenschaften sind am allerwichtigsten und die anderen unbedeutend", unterstreicht der Meeresökologe.

Wissenslücken füllen

Doch all die Fokussierung auf funktionelle Diversität ist letzten Endes nur ein einziger Schritt in Richtung einer wirklich umfassenden Sichtweise der Biodiversität – des obersten Ziels aller Ökologen und Naturschützer. Parallel laufende Studien zur evolutionären Entwicklung von Arten innerhalb eines Ökosystems sollen in diesem Zusammenhang dazu beitragen, die Folgen des Verlustes von Biodiversität zu verstehen und zu mildern, denn einige Wissenschaftler betrachten die phylogenetische Diversität als das dritte Standbein der Biodiversität, neben der Vielfalt an Arten und Funktionen. Forscher auf der ganzen Welt arbeiten ebenfalls daran, weitere Wissenslücken zu füllen; in Deutschland beschäftigte sich etwa ein Zusammenschluss zahlreicher Wissenschaftler mit den Auswirkungen einer intensivierten Landnutzung auf die funktionelle Diversität. Dennoch sind weitere Arbeiten nötig, weniger in Mikrokosmen oder isolierten Untersuchungsgebieten, sondern auf Landschaftsebene, um die Rolle von räumlichen Daten und Interaktionen eingehender zu analysieren.

Erst einmal begrüßen Wissenschaftler jedoch die funktionellen Eigenschaften auf Grund der Tatsache, dass diese schon jetzt zu einem differenzierteren Verständnis von Ökosystemen beigetragen haben. Diese Ansicht teilt auch Jetz, trotz seiner Warnungen vor verfrühten Entscheidungen auf der Grundlage funktioneller Diversität. Auch wenn die Datensätze noch unvollständig sind, können funktionelle Merkmale den Menschen außerhalb der Wissenschaft – unter ihnen Entscheidungsträger aus Politik und Wirtschaft – vielleicht die Bedeutung natürlicher Lebensgemeinschaften in einer greifbareren Art und Weise vermitteln als der Begriff des Artenreichtums. "Wenn eine oder zwei Arten verloren gehen, lassen sich die Folgen nur schwer ermessen", weiß Jetz. Doch wenn explizit gezeigt werden könnte, auf welche Art und Weise der Verlust einer Funktion ein Ökosystem dezimiert, hätte dies vielleicht einen stärkeren Effekt, denn "so etwas können mehr Menschen wirklich nachvollziehen".

Der Artikel erschien zuerst unter dem Titel "Biodiversity moves beyond counting species" bei "Nature".