Wie Plankton Turbulenzen meistert

Plankton im Meer ist auf steter Wanderschaft. Bei Tage schwimmen die winzigen Lebewesen mithilfe von Flagellen aktiv an die lichtdurchflutete Meeresoberfl?che, wo sie Photosynthese betreiben. Nachts begeben sie sich in eine Tiefe von 10 bis 20 Meter, wo die N?hrstoffversorgung besser ist und wo sie vor Fressfeinden sicherer sind.

Auf seiner t?glichen Wanderschaft begegnet das Plankton aber einigen Widrigkeiten. So m¨¹ssen sie auf ihrem Weg nach oben (oder unten) Wasserschichten mit Turbulenzen durchqueren. Diese Turbulenzen ¨C insbesondere deren kleinste millimetergrossen Verwirbelungen ¨C k?nnen den feinen Mikroorganismen gef?hrlich werden: Plankton wird darin herumgewirbelt wie in einer winzigen Waschmaschine. Dies kann beispielsweise Antriebsorgane oder Zellh¨¹llen stark sch?digen. Im schlimmsten Fall k?nnen die Organismen in den Verwirbelungen zugrunde gehen.

Wanderverhalten in Mikrokammern beobachtet

Bestimmte Algen des Phytoplanktons haben allerdings raffinierte Mechanismen entwickelt, um den Totalverlust ihres Bestands zu vermeiden. Das zeigen die Postdoktoranden Anupam Sengupta und Francesco Carrara und Roman Stocker, Professor am Institut f¨¹r Umweltingenieurwissenschaften der ETH Z¨¹rich, in einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift Nature erschienen ist.

Die drei Wissenschaftler untersuchten im Labor das Wanderverhalten von Heterosigma akashiwo, einer Alge, die bekannt daf¨¹r ist, dass sie giftige Algenbl¨¹ten bildet. Um das Schwimmverhalten der Alge zu untersuchen, verwendeten die Forscher eine kleine Kammer von wenigen Kubikmillimetern Volumen, in welche sie Heterosigma-Zellen einbrachten. Die Kammer konnte mit einem computergesteuerten Motor kontinuierlich um ihre horizontale Achse rotiert und so wiederholt um 180 Grad gekippt werden. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler imitieren, wie kleinste Ozeanwirbel die Zellen im Wasser auf den Kopf stellen.

Abtauchen in weiser Voraussicht

Dabei konnten die Wissenschaftler beobachten, dass sich die aufsteigende Algenpopulation in zwei gleich grosse Gruppen teilt. Die einen Zellen streben weiterhin zur Oberfl?che, die anderen hingegen schwimmen in die entgegengesetzte Richtung. In einer unbewegten Kammer hingegen schwammen alle Zellen nach oben.

Die Forscher haben auch den Grund f¨¹r das unterschiedliche Schwimmverhalten entdeckt: Die Zellen k?nnen ihre Form aktiv ver?ndern. Abw?rts schwimmende Zellen werden nahezu eif?rmig, aufw?rts schwimmende Algenzellen hingegen sind eher birnenf?rmig.  Die Abweichung betr?gt nur knapp einen Mikrometer. ?Das ist spektakul?r, dass eine knapp 10 Mikrometer grosse Zelle ihre Form anpassen kann, um ihre Schwimmrichtung zu ver?ndern?, sagt der Mitautor der Studie Francesco Carrara.

Perfekte Anpassung

F¨¹r Roman Stocker ist der beobachtete Mechanismus nicht einfach Zufall. ?Die Alge hat sich perfekt an ihren Lebensraum Ozean angepasst: Sie kann aktiv schwimmen, eine Reihe verschiedener Umweltsignale wahrnehmen, ihr Verhalten entsprechend anpassen und regulieren.? Anupam Sengupta erg?nzt: ?Wir verstehen nun besser, wie die Mikroorganismen potenziell gef?hrlichen Situationen begegnen, aber zur Zeit k?nnen wir nur dar¨¹ber spekulieren, weshalb sie das tun.?

So stellen sich die Forscher vor, dass das Teilen der Population in zwei Gruppen der Art einen evolutiven Vorteil verschafft. Bei gef?hrlichen Turbulenzen geht im schlimmsten Fall nicht die gesamte Population verloren, sondern nur die halbe. Die abw?rtsschwimmenden Zellen haben daf¨¹r den kurzfristigen Nachteil, dass sie in der Tiefe zu wenig Licht f¨¹r die Photosynthese erhalten und nicht wachsen k?nnen. Die Forscher haben zudem Hinweise darauf, dass Signale, die von Turbulenzen ausgehen, die Alge physiologisch belastet. Zellen, die in ihrem Experiment herumgewirbelt wurden, erlitten mehr Stress als solche in ruhenden Kammern.

Klimawandel beeinflusst Turbulenzen

Die Forscher planen nun, das Verhalten der Algen in einem gr?sseren Tank zu beobachten, wo die Algen nicht nur dem ?Kippen? ausgesetzt werden, sondern echten Turbulenzen. Das Verhalten des Planktons genau zu kennen, ist wichtig: ?Da der Klimawandel die Intensit?t der Turbulenzen in den Ozeanen je nach Region ver?ndern wird, m¨¹ssen wir unbedingt verstehen, wie Organismen welche die Basis f¨¹r die gesamte Nahrungskette bilden, darauf reagieren. Unsere Studie f¨¹gt diesem komplexen Puzzle ein neues Teilchen hinzu, indem sie nachweist, dass Phytoplankton den Turbulenzen nicht einfach ausgeliefert ist, sondern diese aktiv meistern kann?, betont der ETH-Professor.