Sie produzieren 20 % des Sauerstoffs der Erde, verschwinden aber

Das Überleben des Großteils des Lebens auf der Erde hängt von Sauerstoff ab. Doch die wichtigsten Sauerstoffproduzenten sind nicht die uns bekannten Bäume, sondern die winzigen Organismen im Wasser, zu deren wichtigsten Gruppen die Kieselalgen gehören.

Kieselalgen sind extrem kleine einzellige Algen, die meist nur wenige bis mehrere zehn Mikrometer groß sind und von denen einige auf eine Nadelspitze passen. Aber wenn Sie diese winzigen Lebewesen unter dem Mikroskop betrachten, werden Sie von ihrer exquisiten Erscheinung schockiert sein – tatsächlich handelt es sich bei den wunderschönen Strukturen, die Sie sehen, um die Zellwände von Kieselalgen , auch als ihre „Silica-Schalen“ bekannt.

Kieselalgenschale unter einem 1500-fachen Mikroskop (Bildquelle: Massimo Brizzi/Wikipedia)

Im Gegensatz zu Pflanzen oder Tieren bestehen die Zellwände von Kieselalgen aus Kieselsäure – hydratisierter Kieselsäure, dem gleichen Material, aus dem auch der Edelstein Opal besteht. Und ähnlich wie Opale weisen auch die Zellwände von Kieselalgen leuchtende Strukturfarben auf.

Das Farbenspiel des Opals (Bildquelle: Dpulitzer)

Eine solch harte Schale macht Kieselalgen zum absoluten Gewinner auf der Erde. Es gibt mehr als 20.000 bekannte Kieselalgenarten, die in Ozeanen, Flüssen und Seen auf der ganzen Welt verbreitet sind. Sogar in heißen Quellen oder im Südpolarmeer findet man Kieselalgen.

Eine solch weite Verbreitung führt auch zu einer enormen Produktivität. Schätzungsweise werden durchschnittlich 20 bis 30 % des Sauerstoffs in jedem Atemzug von Kieselalgen produziert . Diese Zahl übersteigt sogar die tropischen Regenwälder, die als „Lunge der Erde“ bezeichnet werden, bei weitem.

„Kieselalgen gehören zum wichtigsten Plankton im Meer“, erklärt Jan Taucher, Meeresbiologe am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung, sein Interesse an ihnen. „Jede Veränderung könnte zu großen Verschiebungen im marinen Nahrungsnetz führen und sogar die Fähigkeit des Ozeans verändern, CO2 als Kohlenstoffsenke aufzunehmen.“

Ozeanversauerung

Wir alle wissen, dass der Klimawandel unsere Ozeane bedroht. Kohlendioxid aus der Atmosphäre löst sich im Meerwasser auf und erhöht so den Säuregehalt des Meerwassers. Für Meeresorganismen mit Karbonatschalen (hauptsächlich Kalziumkarbonat) ist dies nahezu katastrophal : Nimmt die Versauerung der Meere zu, können ihre Karbonatschalen aufgelöst werden – genau diese Katastrophe erleben Korallen und Muscheln vielerorts.

Mit der zunehmenden Versauerung der Ozeane sind die Karbonatschalen vieler Meeresorganismen bedroht (Bildnachweis: NOAA)

Bei Kieselalgen ist die Geschichte des Klimawandels allerdings viel komplizierter. Zahlreiche Studien legen nahe, dass Kieselalgen theoretisch der Versauerung der Meere widerstehen können und möglicherweise sogar vom Klimawandel profitieren . Einerseits sind Kieselalgen ein zur Photosynthese befähigter Mikroorganismus. Wenn die Menge an gelöstem Kohlendioxid im Meerwasser zunimmt, können sie leichter Kohlendioxid aufnehmen und die Photosyntheserate steigern. Andererseits kann das saure Milieu die Auflösungsrate der Kieselsäure verringern, so dass Kieselalgen mit weniger Aufwand ihre eigenen „Siliziumhütten“ bauen können.

Das Problem ist, dass es sich hierbei lediglich um theoretische Spekulationen handelt. Kürzlich stellten Tauchel und seine Kollegen fest, dass in früheren Diskussionen über Kieselalgen häufig ein Schlüsselfaktor übersehen wurde, der das Überleben der Kieselalgen bedrohen könnte.

Silizium ist knapp

Bei vielen Planktonarten im Meer ist die Konzentration wichtiger Nährstoffe wie Stickstoff oder Eisen ausschlaggebend für deren Verbreitung. Kieselalgen schätzen jedoch das Silizium im Meerwasser mehr.

Die Silikate im Meerwasser liegen im Allgemeinen in einem ungesättigten Zustand vor, sodass die Schalen der Kieselalgen durch Meerwasser tatsächlich leicht erodiert und aufgelöst werden. Wenn Kieselalgen leben, sondern sie auf der Außenseite ihrer Schalen eine organische Beschichtung ab, die ihnen Schutz bietet. Wenn die Kieselalgen jedoch sterben, wird diese Schutzschicht durch Bakterien abgebaut. Wenn die Schale aufgrund der Schwerkraft in die Tiefsee sinkt, wird „auf dem Weg“ auch das in der Schale enthaltene Silizium ins Meerwasser freigesetzt, wodurch bis zu einem gewissen Grad der Siliziumverbrauch der Kieselalgen im Oberflächenwasser ausgeglichen wird.

Auf diese Weise fungieren die Kieselalgen selbst als „biologische Pumpe“, indem sie wie eine Pumpe das Silizium im Meerwasser von der Oberfläche in die tieferen Schichten transportieren und es dann durch die globale Meereszirkulation wieder an die Meeresoberfläche zurücktransportieren, wo es von der nächsten Gruppe Kieselalgen genutzt wird.

Kieselalgen funkeln unter dem Mikroskop wie Edelsteine ​​(Bildnachweis: Watson & Sons)

Um die Veränderungen der Meeresumwelt im Zuge des Klimawandels zu simulieren, wandte das Forschungsteam von Tao Huer die Methode des Einschlussexperiments an: Sie isolierten in jedem der fünf Ozeane ein Stück Meerwasser und hielten die normale Meerwasserzirkulation aufrecht, indem sie es künstlich hinein- und herauspumpten. Es ist, als würde man im Ozean fünf riesige Reagenzgläser zerschneiden. Forscher können unterschiedliche Kohlendioxidkonzentrationen in die Reagenzgläser geben, um Szenarien mit unterschiedlich starker Ozeanversauerung zu simulieren. Die Ergebnisse zeigten, dass das Verhältnis von Silizium zu Stickstoff in Meeresablagerungen um durchschnittlich 17 % zunahm. Das heißt, in saurerem Meerwasser fallen mehr Kieselschalen in das Sediment, anstatt sich im Meerwasser aufzulösen.

Kieselalgen-Dominosteine

Weitere Modellstudien gaben Anlass zu weiteren Bedenken. Bei einer starken Versauerung des Meerwassers verlangsamt sich die Auflösungsgeschwindigkeit der Schalen und mehr Kieselalgenschalen sinken nach ihrem Absterben direkt auf den Meeresboden und verbleiben dort für längere Zeit. Die Meeresströmungen können diese Lücke offensichtlich nicht schließen, so dass die später wachsenden Kieselalgen nicht genügend Silizium für den Aufbau ihrer eigenen Schalen aufnehmen können.

Die Versauerung der Ozeane führt zu einer deutlichen Abnahme der Silikatkonzentration im Oberflächenwasser (rot bedeutet Zunahme, blau bedeutet Abnahme, Bildquelle: Originalarbeit)

Simulationsergebnisse zeigen, dass bei einem Szenario mit hohen Emissionen die Silikatkonzentration an der Meeresoberfläche im Jahr 2200 um etwa 27 % sinken wird, was direkt zu einer Verringerung der Kieselalgenzahl um 26 % führen wird. Würde eine so große Zahl an Primärproduzenten verloren gehen, wäre auch das übrige Leben auf der Erde stark betroffen.

In dem Artikel zeigen sich die Forscher eher besorgt darüber, dass „die damit verbundenen Konsequenzen für die Ökosystemfunktionen und den Kohlenstoffkreislauf schwieriger einzuschätzen sind“ und dass die aktuellen Daten die Dominoeffekte auf andere Konsumenten in der Nahrungskette nicht berücksichtigen.

Bildnachweis: Howard Lynk

Ungeachtet dessen dienen die Ergebnisse als Warnung, dass unbemerkte Rückkopplungsmechanismen im Erdsystem unsere Vorhersagen über ökologische und biologische Veränderungen beeinflussen könnten. Wir wissen immer noch nicht genug darüber, wie unser Planet und die Lebensformen auf ihm interagieren.

Für Tauchur war die Entdeckung eine ergreifende Überraschung: „Sie ist eine der deutlichsten Erinnerungen an die unkalkulierbaren Risiken, denen wir ausgesetzt sind, wenn wir nicht schnell und entschlossen gegen den Klimawandel vorgehen.“

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiukexue)

Autor: Erqi

Herausgeber: Wang Mengru

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin