Plankton. Der erstaunliche Mikrokosmos der Ozeane

cover_plankton_w
Christian Sardet „Plankton“ Verlag Ulmer 2016.

Wunder einer driftenden Welt: Sardets „Plankton. Der erstaunliche Mikrokosmos der Ozeane“ Reise durch die faszinierende Mikrowelt der Ozeane „Plankton. Der erstaunliche Mikrokosmos der Ozeane“ weiterlesen

Klimawandel, Todeszonen und Massen an Bakterien

Der Klimawandel lenkt unsere Aufmerksamkeit auf wachsende Sauerstoffminimumzonen in den Ozeanen. Neu entdeckte SAR11-Bakterien verbrauchen dort lebenswichtigen Stickstoff.

In ausgedehnten Bereichen der Weltmeere, den sogenannten Sauerstoffminimumzonen (oxygen minimum zones, OMZs), gibt es keinen messbaren Sauerstoff. Neu entdeckte Bakterien verbrauchen dort auch noch andere lebenswichtige Moleküle. Sie tragen dazu bei, die ohnehin schon toten Bereiche noch ein bisschen toter zu machen. „Klimawandel, Todeszonen und Massen an Bakterien“ weiterlesen

Suche nach Phantom-Lebensräume in der Tiefsee

 

Tiefseemuscheln an einem Schwarzen Raucher im Bereich des Mittelatlantischen Rückens zwischen 5° S und 11°S, aufgenommen während der Expedition M78-2. Foto: ROV Kiel 600, GEOMAR
Tiefseemuscheln an einem Schwarzen Raucher im Bereich des Mittelatlantischen Rückens zwischen 5° S und 11°S, aufgenommen während der Expedition M78-2. Foto: ROV Kiel 600, GEOMAR

 Internationales Forscherteam zeigt Verbindungen zwischen Ökosystemen an „Schwarzen Rauchern“ – Doch wo sind die Trittsteine?

An heißen Quellen in der Tiefsee, sogenannten Hydrothermalsystemen, bilden sich hochspezialisierte Lebensgemeinschaften. Diese Systeme liegen aber oft hunderte oder tausende Kilometern voneinander entfernt. Daher rätseln Meeresbiologen schon lange, wie Larven der betreffenden Tierarten von einem Standort zum nächsten gelangen. In einer neuen Studie zeigt eine Gruppe von Forschern aus Deutschland, Frankreich, Österreich, Kanada und den USA unter Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel mithilfe von ozeanographischer Modellierung und genetischen Analysen an Muscheln der Gattung Bathymodiolus, dass es viele, bisher nicht entdeckte Hydrothermalquellen als Zwischenstationen geben muss. Die Studie erscheint heute in der internationalen Fachzeitschrift Current Biology. „Suche nach Phantom-Lebensräume in der Tiefsee“ weiterlesen

Tägliches Auf und Ab der Plankton-Tiere im Meer

Neue Studie zum Wanderverhalten von Zooplankton im Tages- und Jahresgang
Eine einzigartige mehrjährige Messreihe aus dem Südpolarmeer bringt neue Erkenntnisse über die tägliche Vertikalwanderung von Zooplanktongemeinschaften: Wissenschaftler des Thünen-Instituts für Seefischerei in Hamburg und des Alfred-Wegener-Instituts in Bremerhaven beobachten Änderungen im Jahresverlauf und zwischen den Jahren. Das antarktische Zooplankton ist die wichtigste Nahrungsquelle für viele Fische und Walarten, u.a. dem größten Säugetier der Welt, dem Blauwal.

Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, den Jahresgang von Zooplanktongemeinschaften im Südpolarmeer zu dokumentieren. Anhand von Daten aus verankerten akustischen Doppler-Strömungsmessern (ADCP) konnten Dr. Boris Cisewski vom Thünen-Institut für Seefischerei und Dr. Volker Strass vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung die tägliche Vertikalwanderung des Zooplanktons durchgehend über drei Jahre aufzeichnen. Außerdem untersuchten sie, wie einzelne Umweltparameter wie Licht, Meereisbedeckung, Nahrungsverfügbarkeit, Zirkulation und Temperatur sowie Salzgehalt das Wanderverhalten beeinflussen.

Die tägliche Vertikalwanderung von Zooplankton – vielfach Krebstiere mit Körperlängen zwischen Millimetern und Zentimetern – wird im Wesentlichen vom Tag-Nacht-Zyklus ausgelöst. Um möglichen Fressfeinden zu entkommen, tauchen sie bei Sonnenaufgang in dunkle Tiefen ab und verweilen dort tagsüber. Nach Sonnenuntergang steigen sie wieder in die oberen Schichten auf, um zu fressen, wo das Sonnenlicht pflanzliches Plankton hat wachsen lassen. Bislang existierten nur kleine zeitliche Ausschnitte über die Wanderungsbewegungen des Zooplanktons im Südpolarmeer. Wegen seiner saisonalen Meereisbedeckung sind viele Gebiete während des Südwinters nicht mit dem Schiff zu erreichen. Eine biologische Netzbeprobung ist zu dieser Jahreszeit daher nur lückenhaft möglich.

Die aktuelle Studie beruht auf Daten, die während drei Polarstern-Expeditionen und mit Hilfe von Tiefsee-Verankerungen in den Jahren 2005 bis 2008 im Südpolarmeer im Rahmen des LAKRIS-Projektes (Lazarev Sea Krill Study) erhoben wurden. Dazu wurden an drei verschiedenen geographischen Positionen entlang des Greenwich-Meridians ADCP-Geräte verankert, die in festen Zeitintervallen Schallwellen aussenden und damit eine bis zu 500 Meter tiefe Wasserschicht unter der Oberfläche erfassen. Dabei gibt die Stärke des Echos Auskunft über die Konzentration des Zooplanktons während sich aus der Dopplerverschiebung der Schallfrequenz die Wanderungsgeschwindigkeit errechnen lässt.

Auf Basis dieser Langzeitmessungen untersuchten die Wissenschaftler nicht nur tägliche, sondern auch saisonale Vertikalwanderungsmuster einzelner Zooplanktongemeinschaften. Dabei stellten sie zum Beispiel fest, dass das Zooplankton zu Beginn des Südsommers von Ende November bis in den Januar sein Wanderverhalten für einige Wochen einstellt. „Das große Nahrungsangebot im Oberflächenwasser scheint so attraktiv für die Tiere zu sein, dass sie zu seinen Gunsten darauf verzichten, sich tagsüber vor Fressfeinden in größere Tiefen zurückzuziehen“, folgern die beiden Ozeanographen. Weitere Indizien für diese Hypothese liefern Messungen der Meereisbedeckung und der Chlorophyllverteilung. Mit Beginn der Eisschmelze bilden sich sogenannte Eisrand-Algenblüten, die die Hauptnahrungsquelle für Antarktisches Zooplankton zu dieser Jahreszeit bilden. Überraschend waren die großen Unterschiede im Zooplanktonbestand zwischen den drei untersuchten Jahren. „Welche Ursachen das hat, ist abschließend noch nicht geklärt. Daher sind weitere physikalische und biologische Messungen erforderlich, damit zukünftige durch den Klimawandel bedingte Änderungen im Ökosystem des Südpolarmeers abgeschätzt werden können“, so Cisewski und Strass. Mit dem bevorstehenden Umzug des Thünen-Instituts von Hamburg nach Bremerhaven verbinden die beiden Autoren die Hoffnung auf eine intensivere Zusammenarbeit der beiden wissenschaftlichen Einrichtungen.

Originalpublikation:
Boris Cisewski und Volker H. Strass : Acoustic insights into the zooplankton dynamics of the eastern Weddell Sea. Progress in Oceanography 144 (2016). DOI: 10.1016/j.pocean.2016.03.005

Das Alfred-Wegener-Institut forscht in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der gemäßigten sowie hohen Breiten. Es koordiniert die Polarforschung in Deutschland und stellt wichtige Infrastruktur wie den Forschungseisbrecher Polarstern und Stationen in der Arktis und Antarktis für die internationale Wissenschaft zur Verfügung. Das Alfred-Wegener-Institut ist eines der 18 Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.

Bakteriengemeinschaft der Nordsee entschlüsselt

Darstellung des Algenabbaus Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Manfred Schlösser
Darstellung des Algenabbaus Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Manfred Schlösser

 

Jedes Frühjahr blühen in der Nordsee die Algen. Dabei können von Jahr zu Jahr unterschiedliche Algenarten die Überhand gewinnen. Bei den Bakterien, welche die Algen wieder abbauen, herrschen dennoch alljährlich dieselben spezialisierten Gruppen vor.

Kleine Algen, die zu Abertausenden in jedem Milliliter Meerwasser leben, haben große Auswirkungen. Zusammen sind sie ebenso wichtig wie die Landpflanzen, um Sauerstoff zu produzieren und Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen. Doch die Algen sind kurzlebig. Nach ihrem Tod werden sie von Bakterien zersetzt. Dadurch wird das aufgenommene Kohlendioxid zum Großteil wieder frei.

Über 5 Millionen Bakteriengene erlauben einen Einblick in mikrobielle Prozesse in der Deutschen Bucht

Um diesen Teil des marinen Kohlenstoffkreislaufs zu verstehen, muss man also erforschen, wie genau die Bakteriengemeinschaft des Meeres die Algen abbaut. Deshalb haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Zusammenarbeit mit der Biologischen Anstalt Helgoland des Alfred-Wegener-Instituts in einer umfassenden Studie die Dynamik von Bakterien und Algen vor der Insel Helgoland während der alljährlichen Frühjahrsblüte untersucht. Die Forscher um Hanno Teeling, Bernhard Fuchs und Rudolf Amann vom Bremer Max-Planck-Institut analysierten über einen Zeitraum von vier Jahren mehr als 11.000 Datenpunkte. Sie sequenzierten fast 450 Milliarden Basenpaare aus dem Erbgut der ansässigen bakteriellen Gemeinschaften. So erhielten sie Informationen über mehr als 5 Millionen Bakteriengene – das entspricht etwa dem 200-fachen der Gene des menschlichen Erbguts. Es sind so viele Daten, dass die online frei zugängliche Veröffentlichung anstelle herkömmlicher Abbildungen ganze Poster enthält.

Spezialisierte Bakterien zersetzen Algenbiomasse

„Aus einer früheren Studie wissen wir, dass sich die Bakteriengemeinschaft verändert, während sie die Algen einer Frühjahrsblüte abbaut “, sagt Hanno Teeling. Spezialisierte Bakteriengruppen begleiten verschiedene Phasen der Blüte und bauen nach und nach einen Großteil der Algenbiomasse ab. „Die nun vorliegende Studie zeigt: Es scheint dabei weit weniger bedeutsam zu sein als wir dachten, welche Algen gerade ihre Blütezeit haben. In verschiedenen Jahren können unterschiedliche Algenarten die Frühjahrsblüte dominieren“, erklärt Bernhard Fuchs. „Aber trotzdem haben wir stets eine ähnliche Abfolge der vorherrschenden Bakteriengruppen beobachtet.“

Offensichtlich sind also nicht die Algen selbst, sondern vor allem deren Bestandteile – allen voran die sogenannten Mehrfachzucker oder Polysaccharide – entscheidend dafür, welche Bakterien sich vorrangig vermehren. „So ist es möglich, dass Jahr für Jahr die gleichen Bakterien auftauchen, auch wenn die Frühjahrsblüte der Algen ganz unterschiedlich ausfällt“, so Fuchs. Ein Beispiel: Zwischen 2009 und 2011 waren Kieselalgen die häufigsten Algen in der Frühjahrsblüte, während 2012 Silikoflagellaten der Gattung Chattonella vorherrschten. Trotzdem war die während der Blüten auftretende Bakteriengemeinschaft sehr ähnlich, insbesondere innerhalb der Gruppe der sogenannten Flavobakterien, denen vermutlich eine Schlüsselrolle beim Abbau von Algenpolysacchariden zukommt. So dominierten beispielsweise während aller vier Studienjahre Flavobakterien der Gattungen Polaribacter und Formosa.

Und nicht nur die Bakteriengruppen zeigen immer gleiche Muster. „Als wir einen genauen Blick darauf warfen, wofür die untersuchen Gene eigentlich verantwortlich sind, wurde deutlich: Es ist immer eine ähnliche zeitliche Abfolge von Genen, die den Abbau bestimmter Polysaccharide regeln“, sagt Hanno Teeling. „Das deutet darauf hin, dass unterschiedliche Algen in der Frühjahrsblüte ähnliche oder sogar die gleichen Polysaccharide haben.“

Neue Teile im Kohlenstoffpuzzle

Im nächsten Schritt wollen die Bremer Forscher denjenigen bakteriellen Enzymen auf den Zahn fühlen, die diese Polysaccharide abbauen. Welche Enzyme greifen welche Algenpolysaccharide an? Wie machen sie das? „Daraus können wir ableiten, welche die wichtigsten Algenpolysaccharide sind“, erläutert Rudolf Amann. „Und mit dieser Information können wir dann einen weiteren Puzzlestein in unserem Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs des Meeres ergänzen.“

Originalveröffentlichung (open access)

Recurring patterns in bacterioplankton dynamics during coastal spring algae blooms
Hanno Teeling, Bernhard Fuchs, Christin Bennke, Karen Krüger, Meghan Chafee, Lennart Kappelmann, Greta Reintjes, Jost Waldmann, Christian Quast, Frank Oliver Glöckner, Judith Lucas, Antje Wichels, Gunnar Gerdts, Karen Wiltshire, Rudolf Amann

http://www.mpi-bremen.de