Der hawaiianische Sturmvogel ist für den größten Teil seines Wanderlebens ein Rätsel und reist an einem mysteriösen Ort. Diese pelagischen Vögel, die seit 1967 auf der Liste der vom Aussterben bedrohten Arten stehen, kehren an Land zurück - auf einige bestimmte Inseln Hawaiis -, nur um zu nisten und zu brüten Aleuten.
Als solche sind sie eine weitreichende Art in einem riesigen Ökosystem, das sich Wissenschaftlern entzieht, die verstehen wollen, wie sich der Klimawandel, industrielle Fischereipraktiken und andere natürliche und menschliche Einflüsse auf den Pazifischen Ozean auswirken. Jetzt bieten die Knochen dieser Vögel - einige sind so alt wie 2000 Jahre - Wissenschaftlern ein einzigartiges Fenster in die ökologische Vergangenheit dieses Ozeans sowie Basisdaten, anhand derer sie seine Gegenwart besser verstehen und über seine Zukunft nachdenken können.
Die Ergebnisse einer kürzlich in den Proceedings of the Royal Society B veröffentlichten Studie zeigen, wie eine differenzierte Untersuchung der Knochenchemie eine Verschiebung im Nahrungsnetz des Nordpazifiks bestätigt - dem komplizierten, miteinander verbundenen Netzwerk von Nahrungsketten, von denen jede Art lebt Das mikroskopisch kleinste Plankton für den gigantischen Blauwal. Im Wesentlichen sagen die Knochen den Wissenschaftlern, dass die Nahrungskette der Sturmvögel in den letzten 100 Jahren kürzer geworden ist.
Wie und warum ist nicht klar, aber zu verstehen, wo eine Art in einer Nahrungskette frisst, ist genauso wichtig - und langfristig noch wichtiger - als das, was sie frisst.
Diese Informationen und die neuen Methoden, mit denen Wissenschaftler die Knochen selbst abfragen, bieten eine Möglichkeit, diese Fragen zu beantworten.
„Wenn in diesem Ökosystem große Veränderungen stattfinden und wir nicht abschätzen können, wie schnell und wie groß diese Veränderungen sind, fällt es uns schwer, die Ressource zu verwalten. Es ist schwer für uns vorherzusagen, ob es einen Wendepunkt geben könnte, an dem noch größere Veränderungen eintreten könnten “, sagt Helen James, Forschungszoologin und Vogelkuratorin am Smithsonian National Museum of Natural History, die Mitautorin der Studie .
Diese Knochen, viele davon aus dem Naturhistorischen Museum und anderen Museen sowie von neueren Vögeln, ermöglichen es Wissenschaftlern, eine unschätzbare langfristige Geschichte zu erzählen, die von vor Tausenden von Jahren bis in die Gegenwart reicht.
"Sobald Sie eine Basis für diese Art von Daten haben, können Sie Anzeichen von Ökosystemstress gut erkennen, wenn Sie in die Zukunft blicken", sagt James.
Archäologische Knochen und Schädel (links) und ein moderner Schädel (rechts) des hawaiianischen Sturmvogels, die in den Sammlungen des Smithsonian National Museum of Natural History aufbewahrt werden. Die archäologischen Knochen sind ungefähr zwei Jahrhunderte alt. (Brittany M. Hance) 
Biochemische Signale in den Knochen und Schädeln von 200 Jahre alten Petrals (oben) und modernen Exemplaren (unten) können wertvolle Einblicke in großräumige Veränderungen der Nahrungsnetze im Ozean im Laufe der Zeit geben. (Donald E. Hurlbert) 
"Diese Museumsexemplare sind bemerkenswert für die Informationen, die sie über die Vergangenheit liefern können", sagt Helen James. (Donald E. Hurlbert) Nahrungsketten wirken eher linear und einfach; Sie sind ein spezieller Fresspfad innerhalb des Nahrungsnetzes. Zum Beispiel frisst ein Hai einen Thunfisch, der Papageienfisch gefressen hat, der eine Koralle gefressen hat, der ein Phytoplankton gefressen hat. Es ist wichtig zu wissen, wo Arten in einer Nahrungskette essen, und Wissenschaftler definieren dies auf der Grundlage der so genannten trophischen Werte.
Stufe eins sind die Produzenten, die mit Licht Photosynthese betreiben und Lebensmittel herstellen. Dies ist in erster Linie Phytoplankton, das die Grundlage des gesamten ozeanischen Nahrungsnetzes und seiner unzähligen Ketten bildet. Auf Stufe zwei bewegen sich Pflanzenfresser - winzige Weidetiere wie Zooplankton, Quallen, Seeigel sowie größere Tiere wie Papageienfische und grüne Schildkröten - durch das Meer und weiden opportunistisch. Stufe drei setzt sich aus kleinen Fleischfressern wie Sardinen, Menhaden und anderen Arten zusammen, die sich von den Pflanzenfressern ernähren und in erster Linie als Nahrung für die Arten der Stufe vier dienen iss die kleineren Fleischfresser.
Obwohl die Nahrungsketten für jedes Tier unterschiedlich sind, weil sie innerhalb des viel größeren Nahrungsnetzes miteinander verbunden sind, führt das, was mit der Nahrungskette eines Tieres geschieht, immer zu einer Verschiebung an einer anderen Stelle im Netz.
Wenn zum Beispiel durch das Finning von Haien die Population dieses Raubtiers der Stufe 4 in einem bestimmten Gebiet abnimmt, werden die Tiere in der Nahrungskette der Haie häufiger (weniger Haie fressen sie).
Plötzlich fressen sie mehr Tiere unter sich. Arten, die tangential zur Nahrungskette der Haie stehen und scheinbar nichts mit Haien zu tun haben, sondern von den kleineren Tieren abhängen, die plötzlich unter stärkerem Nahrungsdruck verschwinden, werden ihre Nahrungsquellen stören und möglicherweise auch gezwungen sein, Arten in geringerem Maße zu fressen trophische Ebene. Dies ist in der Tat eine trophische Verschiebung - die Länge der Nahrungskette der Spezies hat sich geändert.
Und genau das zeigt die Chemie der Knochen der hawaiianischen Sturmvögel im Nordpazifik. Im Jahr 2013 haben James und andere Wissenschaftler diese Frage zum ersten Mal untersucht, indem sie die Knochen aller Brutpopulationen der Art untersucht haben - machbar, weil sie nur auf bestimmten Inseln in Hawaii brüten.
"Jedes Sturmvogel fliegt über weite Strecken über den Nordpazifik, ernährt sich dabei und bindet langsam Stickstoff aus seiner Nahrung in das Eiweiß in seinen Knochen ein", sagt James. „Stellen Sie sich vor, wir hätten eine Drohne, die über dieses riesige Gebiet abgefeuert wurde, und sie flog systematisch über den Ozean, um Proben des Nahrungsnetzes zu entnehmen. Nach dem Tod des Sturmvogels (oder der Drohne) bleiben Informationen über seine Ernährungsgewohnheiten für Hunderte oder Tausende von Jahren in seinen Knochen erhalten. Wenn wir diese Knochen finden und Proteine daraus extrahieren können, haben wir eine unerwartete Datenquelle darüber, wie sich die Nahrungsnetze der Ozeane im Laufe der Zeit in großem Umfang verändert haben. “
Die Wissenschaftler können nicht genau wissen, was die Vögel gefressen haben - diese spezifischen Informationen können natürlich nicht in Knochen gespeichert werden. Indem sie die Chemie in den Knochen abfragen, können sie die Chemie des Futters bestimmen, das die Vögel gefressen haben, und auf diese Weise feststellen, ob eine Veränderung eingetreten ist.
"Betrachtet man das Futter auf chemischer Ebene, so gibt es eine einzige chemische Nummer, die etwas über die Nahrungskette der Vögel aussagt, was man nicht haben könnte, wenn man nur eine Liste darüber hätte, was der Vogel gestern gegessen hat", sagt James . "Es ist also ein echter Vorteil, diese chemische Signatur zu betrachten, wenn Sie langfristige Trends betrachten möchten."
In der 2013 durchgeführten Studie untersuchten die Wissenschaftler Stickstoff, der kumulativ und vorhersehbar eingebaut wird, wenn ein Organismus einen anderen frisst, und stellten fest, dass die gesamte Spezies in den letzten 100 Jahren einen Rückgang der Stickstoffisotope aufwies. Dies deutete darauf hin, dass die Nahrungskette der Vögel kürzer geworden war; irgendwo in der Nahrungskette der Vögel fraßen die Tiere auf einem niedrigeren trophischen Niveau.
In der aktuellen Studie wollten die Wissenschaftler ihre Methodik verfeinern, um festzustellen, dass die 2013 durchgeführte Studie tatsächlich eine Verschiebung der Nahrungskette der Vögel und nicht wie andere eine durch die Chemie des Stickstoffs am unteren Ende der Nahrungskette verursachte Änderung ergeben hatte hatte gestritten. Diesmal untersuchten sie die Beziehung zwischen zwei spezifischen Aminosäuren und ihren Stickstoffisotopen, die zusammengenommen die Länge der Nahrungskette dieses spezifischen Vogels anzeigen können.
Diese präzisere Methode bestätigte, dass die moderne Nahrungskette von Sturmvögeln kürzer ist als die alte, sagt James.
"Es gibt mehrere Schritte in der Nahrungskette, die zum Sturmvogel führen, und wir wissen nicht, bei welchem Schritt die Änderung stattgefunden hat", sagt sie. "Es ist denkbar, dass sie die gleiche Art von Lebensmitteln essen, aber diese Arten essen etwas anderes."
Wie in der ersten Studie geht die neue Studie davon aus, dass die Industriefischerei, die Anfang der 1950er Jahre im Pazifik in großem Umfang begann, als mögliche Ursache für diese Verlagerung in Betracht gezogen werden muss.
„Wir wissen, dass es in vielen Meeresgebieten auf dem Festlandsockel das Phänomen gibt, im Nahrungsnetz zu fischen - viele große Raubfische werden aus dem Meer entfernt. Kleinere Raubtiere werden häufiger und müssen essen “, sagt James. Somit wird die durchschnittliche Fanggröße sowohl für Menschen als auch für andere Arten kleiner.
Die neuen Daten aus den Sturmvogelknochen werden dazu beitragen, laufende Studien und die Überwachung der Fischpopulationen zu ermöglichen, um besser zu verstehen, was in dem riesigen Ozean geschehen ist, der eine Herausforderung für die Forschung darstellt.
"Was wir in diese Geschichte einfließen lassen können, sind diese historischen Daten von guter Qualität, insbesondere aus der Zeit, in der die Menschen keine Auswirkungen auf das Ökosystem der Ozeane hatten", sagt James.
Zukünftig erweitern sie und andere Wissenschaftler ihre Forschung und wenden die chemische Methodik der neuen Studie auf andere Arten an, darunter den Laysan-Albatros und den Newell-Sturmtaucher. Beide nisten wie der hawaiianische Sturmvogel im hawaiianischen Archipel, stöbern jedoch in verschiedenen Regionen des Ozeans, um weitere Informationen zur Untersuchung der ozeanweiten Trends zu erhalten. Der Newell-Sturmtaucher ist vom Aussterben bedroht, während der Laysan-Albatros als "nahezu bedroht" gilt.
"Diese Museumsexemplare sind bemerkenswert für die Informationen, die sie über die Vergangenheit liefern können", sagt James. "Sie ermöglichen es uns, einige wirklich unerwartete Dinge über die Ozeanökologie zu lernen."
