Spatial Configuration and Multi-trophic Colonization in Modular Artificial Reefs: A Design-Research Field Study for Reef Restoration in the Gulf of Thailand

Der Meeresboden ist keine flache, leere Wüste; er ist eine Landschaft aus verborgenen Räumen, engen Tunneln und offenen Plätzen, die jedem der dort lebenden Geschöpfe eine andere Art von Sicherheit und Gelegenheit bietet. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass die physische Form eines Korallenriffs der wichtigste Faktor dafür ist, wie viele Fische und andere Tiere es unterstützen kann. Ein Riff mit tiefen Spalten und komplexen Nischen bietet Schutz für kleine Kreaturen, die sich vor Fressfeinden verstecken, während offene Flächen es größeren Fischen ermöglichen, frei zu schwimmen und zu jagen. Wenn natürliche Riffe durch Stürme, Verschmutzung oder wärmere Gewässer beschädigt werden, versuchen Gemeinschaften oft, das Problem zu lösen, indem sie künstliche Strukturen ins Meer ablassen. Diese künstlichen Riffe, meist aus Beton oder recycelten Materialien gefertigt, sollen die Komplexität der Natur nachahmen und die Erholung des marinen Lebens ankurbeln. Die Entwürfe für diese Strukturen basieren jedoch oft auf Intuition oder einfacher Geometrie, wie etwa dem Stapeln von Würfeln oder dem Ablassen von Kuppeln, ohne ein klares Verständnis dafür, wie bestimmte Formen spezifische Arten von Tieren anziehen. Es bleibt die Frage: Zählt die genaue Anordnung von Löchern, Wänden und offenen Räumen mehr als die schiere Größe der Struktur?

Im Golf von Thailand unternahm ein Team von Forschern den Versuch, diese Frage zu beantworten, indem sie die Unterwasserwelt als eine Design-Herausforderung betrachteten. Sie bauten vier verschiedene Typen kleiner, modularer künstlicher Riffe, jedes mit einem einzigartigen internen Layout, und platzierten sie auf dem Meeresboden vor der Küste von Koh Khai. Anstatt zu raten, welche Form am besten funktionieren würde, wandten sie eine Methode namens Designforschung an, bei der die biologischen Bedürfnisse der Meerestiere in präzise architektonische Regeln übersetzt werden. Sie konzentrierten sich auf drei Schlüsselmerkmale: wie umschlossen ein Raum ist, die Größe der Öffnungen und die Richtung, in die diese Öffnungen zeigen. Das Ziel war es zu sehen, ob sie eine Struktur konstruieren konnten, die gezielt verschiedene Arten von Leben einlädt, von winzigen Krabben, die sich in engen Spalten verstecken, bis hin zu Fischschwärmen, die im offenen Wasser schwimmen.

Die Forscher konstruierten vier unterschiedliche Prototypen unter Verwendung von kohlenstoffarmem Beton und 3D-Drucktechnologie. Der erste Entwurf, genannt „Randomized Lithic-Mimicry“, sah aus wie ein Haufen verstreuter Felsen mit unregelmäßigen Lücken verschiedener Größen, der darauf abzielt, ein Labyrinth aus Versteckmöglichkeiten zu schaffen. Der zweite, „Tiered Interconnected Refugia“, wurde wie ein Stapel von Betonschichten mit gestuften Plattformen und breiten, horizontalen Tunneln gebaut, um Lebewesen unterschiedlicher Größen Unterschlupf zu bieten. Der dritte, „Vertical Cavities“, bestand aus hohen, schornsteinartigen Röhren, die von oben nach unten verlaufen und dazu dienen, den Wasserfluss und Sauerstoff durch die Struktur zu leiten. Der vierte, „Horizontal Stratification Cavity“, bestand aus ineinandergreifenden dreieckigen Blöcken, die breite, flache Gänge erzeugten, die seitlich durch die Einheit verlaufen. Jede dieser vier Strukturen wurde in eine Tiefe von etwa 6 bis 8 Metern gelassen und der Kolonisierung durch das marine Leben überlassen. Über einen Zeitraum von drei Monaten kehrten die Forscher alle 30 Tage an den Standort zurück, um Unterwasserfotografien und -videos zu machen und die Fische sowie die Wirbellosen in den verschiedenen Zonen jeder Struktur sorgfältig zu zählen.

Die Ergebnisse zeigten ein klares und überraschendes Muster: Kein einzelnes Design war perfekt für jede Art von Tier. Die Studie ergab, dass der Grad der Umschlossenheit – das Verhältnis von offenem Raum zu verborgenem Unterschlupf – wie ein Schalter fungierte, der eine Gruppe von Tieren gegenüber einer anderen bevorzugte. Die Strukturen mit den meisten offenen, exponierten Oberflächen, insbesondere diejenige mit den horizontalen Durchgängen, zogen die höchsten Anzahl an Fischen an. Diese Fische, hauptsächlich wandernde Arten und temporäre Besucher, bevorzugten das offene Wasser, in dem sie ihre Umgebung sehen und frei schwimmen konnten. Im Gegensatz dazu wurden die Strukturen mit den am stärksten umschlossenen, labyrinthartigen Räumen, wie der Steinhaufen und die geschichteten Ebenen, schnell von Wirbellosen wie Krabben, Garnelen und Schnecken besiedelt. Diese Kreaturen, die sich oft verstecken, um nicht gefressen zu werden, gediehen in den engen, dunklen Spalten, in denen sie sich sicher fühlten.

Interessanterweise beobachteten die Forscher, dass Fische und die versteckenden Kreaturen nicht nur unterschiedliche Orte bevorzugten, sondern die idealen Umgebungen der jeweils anderen aktiv mieden. Je umschlossener ein Raum war, desto weniger Fische wurden dort gefunden, aber desto mehr Wirbellose siedelten sich an. Umgekehrt waren die offensten Bereiche voller Fische, hatten aber sehr wenige versteckende Kreaturen. Dies deutet darauf an, dass ein einzelnes künstliches Riff nicht gleichzeitig die Anziehung von Fischen und den Schutz kleinen, verborgenen Lebens maximieren kann. Die Studie zeigte auch, dass die Zeit eine entscheidende Rolle spielte. Zu Beginn des Experiments waren die meisten Fische nur auf der Durchreise, aber im Laufe der Zeit, als die Strukturen älter wurden, begannen mehr von ihnen, dort zu bleiben und zu leben, insbesondere in den geschützten Zonen. Die winzigen Kreaturen hingegen rückten viel schneller ein und nahmen oft schon innerhalb des ersten Monats die engsten Räume ein.

Die Erkenntnisse stellen die gängige Praxis in Frage, große, einheitliche künstliche Riffe zu bauen. Anstatt eine einzige riesige Struktur abzulassen, die versucht, alles zu leisten, schlagen die Forscher vor, dass Restaurierungsprojekte eine Mischung aus verschiedenen Designs einsetzen sollten. Indem man eine Struktur, die darauf ausgelegt ist, Fische anzuziehen, neben eine platziert, die auf die Unterbringung von Wirbellosen ausgelegt ist, könnten Gemeinschaften ein vielfältigeres und widerstandsfähigeres Unterwasser-Nachbarschaft schaffen. Die Studie hob auch hervor, dass der Raum zwischen den Strukturen genauso wichtig ist wie die Strukturen selbst. Das offene Wasser um die Riffe herum wurde zu einem Sammelpunkt für Fische, was zeigt, dass die gesamte Anordnung des Riffs, nicht nur die einzelnen Blöcke, das Ökosystem formt.

Obwohl die Studie durch die Tatsache begrenzt war, dass nur jeweils ein Design getestet wurde, waren die Muster stark genug, um eine neue Denkweise in der Riffrestaurierung anzustoßen. Die Forschung zeigt, dass der Erfolg eines künstlichen Riffs weniger von seinem Gesamtgewicht oder seiner Größe abhängt, sondern vielmehr von der spezifischen Geometrie seiner Löcher und Tunnel. Durch die sorgfältige Gestaltung des internen Layouts passend zu den Bedürfnissen verschiedener Arten können Wissenschaftler und Ingenieure Unterwasserumgebungen schaffen, die ein breiteres Spektrum an Leben unterstützen. Dieser Ansatz geht über das bloße Platzieren von Beton im Ozean hinaus und bewegt sich hin zu einer durchdachteren, architektonischen Methode des Wiederaufbaus des Meeres, bei der jeder Spalt und jede Öffnung mit einem spezifischen Ziel platziert wird. Die Arbeit dient als Beweis für die Machbarkeit und zeigt, dass wir mit dem richtigen Design Lebensräume erschaffen können, die das Leben zurück auf den Meeresboden einladen.