Warum sind malerische Seen grün? Ist es die Spiegelung eines Baumes? Eigentlich ist es ihm zu verdanken!

Die Gästestraße liegt hinter den grünen Bergen und das Boot liegt vor dem grünen Wasser.

Warum sind die Seen an vielen landschaftlich reizvollen Orten grün? Liegt es an den grünen Bäumen am Ufer? Oder liegt es am Schwanken der Wasserpflanzen am Grund des Sees? Tatsächlich sind dies nicht die Hauptgründe. Dies liegt auch an einer Pflanzenart, die wir nicht sehen können – den Mikroalgen .

Bildquelle: unsplash.com Fotograf: Dirk Von Loen Wagner

Was sind Mikroalgen?

Wenn wir das Wort „Algen“ erwähnen, denken wir immer an köstliche Zutaten wie Seetang und Meeresalgen. Sie sehen ähnlich aus wie grünes Gemüse, aber die verschiedenen Teile schmecken gleich. Im Gegensatz zu den Wurzeln, Stängeln und Blättern von grünem Gemüse, die jeweils ihre eigenen Eigenschaften haben.

Dies liegt daran, dass ihre Zellen nur einen geringen Differenzierungsgrad aufweisen und es in den verschiedenen Teilen kaum Unterschiede in der Zellzusammensetzung, -struktur und -funktion gibt . Sie können als ein „Gebäude“ verstanden werden, das aus denselben „Bausteinen“ besteht.

Da sie mehrere Meter lang werden können, werden sie unter dem Sammelbegriff „Makroalgen“ zusammengefasst.

Im Gegensatz dazu entscheiden sich mehr Algen für das Überleben als einzellige Mikroorganismen, die zusammenfassend als „Mikroalgen“ oder kurz Mikroalgen bezeichnet werden.

Mehrere häufige Mikroalgen. Bildquelle: Referenz [1]

Obwohl Mikroalgen in der Regel nur wenige Mikrometer groß sind, also um ein Vielfaches dünner als ein Haar, und nur mit Hilfe eines Hochleistungs-Lichtmikroskops deutlich erkennbar sind, ist die Familie der Mikroalgen sehr groß und weist eine große Artenvielfalt auf.

Sie verfügen über eine starke Anpassungsfähigkeit an die Umwelt und sind daher in der Natur weit verbreitet. Von den zahlreichen Flüssen und Seen bis zu den riesigen Ozeanen, vom Permafrost Nordeuropas bis zu den Wüsten Nordafrikas sind ihre Spuren überall zu finden.

Das Geheimnis des Wohlstands der Algen liegt darin, dass es sich um photosynthetische Mikroorganismen handelt. Ähnlich wie Landpflanzen können sie, solange Sonnenlicht, Luft und Wasser vorhanden sind, durch Photosynthese organische Stoffe synthetisieren, um ihr eigenes Überleben und ihre Fortpflanzung zu sichern.

Gleichzeitig können sie als einzellige Organismen sehr bequem Materie und Energie mit der Umgebung austauschen und ihre Photosyntheserate ist viel höher als die von Landpflanzen.

Laut Statistik stammt die Hälfte der jährlich weltweit durch Photosynthese produzierten organischen Substanz von Mikroalgen. Das heißt, die Hälfte der Luft, die wir atmen, und der Nährstoffe, die wir täglich zu uns nehmen, verdanken wir diesen unsichtbaren Algen.

Vergangenheit und Gegenwart der Mikroalgen

Wir Menschen haben nur eine Geschichte von wenigen Millionen Jahren und die Ära der Dinosaurier liegt noch in weiter Ferne. Mikroalgen hingegen entstanden vor 3,5 Milliarden Jahren, also viel früher als die Dinosaurier.

Zu dieser Zeit hatte die Erde gerade einen Höhepunkt der Einschläge fremder Himmelskörper erlebt und war verwüstet worden. Außer Steinen gab es an Land nichts und in der Atmosphäre war nicht die geringste Spur von Sauerstoff zu finden.

Mikroorganismen aus unterseeischen Vulkanschloten breiteten sich in flache Meere aus und begannen, das ins Wasser scheinende Sonnenlicht als Energiequelle zu nutzen. So entwickelten sich die ersten Sauerstoff freisetzenden photosynthetischen Mikroalgen – die Cyanobakterien.

Cyanobakterien bilden durch Endosymbiose eukaryotische Mikroalgen. Bildquelle: Referenz [2]

Cyanobakterien sind prokaryotische Zellen ohne ausgebildeten Zellkern. Durch Fusion mit anderen Zellen entstehen eukaryotische Zellen mit photosynthetischen Funktionen, also eukaryotische Mikroalgen.

Da diese Mikroalgen in unterschiedlichen Lichtumgebungen leben, sind auch die Pigmente in ihrem Körper, die für die Absorption von Lichtenergie verantwortlich sind, unterschiedlich, was zu unterschiedlichen Farben führt. Basierend auf dieser Klassifizierung gibt es Grünalgen, Rotalgen und Goldalgen.

Wie wir alle wissen, verläuft die Evolution des Lebens im Allgemeinen vom Ozean zum Land, vom Einzeller zum Mehrzeller. Mikroalgen bilden hier keine Ausnahme, insbesondere Grünalgen, die nach und nach Flüsse, Seen und Teiche an Land besiedelten und vor 900 Millionen Jahren die ersten Landpflanzen hervorbrachten.

Von diesem Moment an begann die Erde langsam, sich zu dem zu entwickeln, was wir heute sehen.

Einerseits absorbieren Mikroalgen und Landpflanzen Kohlendioxid aus der Atmosphäre und geben durch Photosynthese Sauerstoff ab. Dadurch regulieren sie das Klima der Erde und schaffen Grundbedingungen für den Übergang des Lebens von der anaeroben Atmung zur effizienteren aeroben Atmung, was die Entstehung und Evolution großer mehrzelliger Landtiere wie Dinosaurier fördert.

Andererseits ernähren Mikroalgen und Landpflanzen als unterste Produzenten der Nahrungskette zahlreiche Pflanzenfresser und höher entwickelte Fleischfresser , erhalten das ökologische Gleichgewicht und bereichern die Artenvielfalt der Biosphäre der Erde erheblich.

Grüne Algen gelangten an Land und entwickelten sich zu Landpflanzen. Bildquelle: Referenz [3]

Heute wird das Land von grünen Pflanzen dominiert. Wenn es um Photosynthese geht, sind sie das Erste, was uns in den Sinn kommt. Doch Mikroalgen nehmen immer noch still an unserem täglichen Leben teil, und zwar an Orten, die wir nicht sehen können, wie zum Beispiel:

Mikroalgen sind reich an Proteinen und können als Fleischersatz oder als Lebensmittelzusatz auf den Tisch kommen, um unsere Gerichte nahrhafter und geschmackvoller zu machen. Auch wenn wir es nicht gewohnt sind, Mikroalgen zu essen, können sie auch als Tierfutter verwendet werden und so unsere Freiheit, Fleisch zu essen, verteidigen.

Mikroalgen haben eine gute Umweltreinigungsfunktion . Sie können Schwermetallionen und überschüssige Nährstoffe in verschiedenen Arten von Abwässern absorbieren, die Eutrophierung und Vergiftung natürlicher Gewässer verhindern und uns grünes Wasser und blauen Himmel bescheren.

Mikroalgen können auch zur Gewinnung erneuerbarer Biomasseenergie wie Biodiesel oder zur Fermentierung zur Ethanolproduktion verwendet werden . Dadurch werden fossile Energieträger schrittweise ersetzt, wodurch die weltweiten Kohlendioxidemissionen reduziert und durch Treibhausgase verursachte Klimaanomalien beseitigt werden. Wie kann die Effizienz der Photosynthese von Mikroalgen verbessert werden?

Gerade durch die von Mikroalgen geerbte Photosynthese verfügen wir über die materielle und energetische Grundlage für das Überleben fast aller Lebewesen auf der Erde, einschließlich des Menschen. Die Photosynthese gilt auch als die wichtigste chemische Reaktion auf der Erde.

In den über 100 Jahren seit Einführung des Nobelpreises wurde die Forschung im Bereich der Photosynthese bereits acht Mal mit dem Preis ausgezeichnet. Dies zeigt, wie viel Aufmerksamkeit ihr zuteil wird und welche wichtige Rolle sie spielt.

Derzeit ist die photosynthetische Effizienz von Mikroalgen und Grünpflanzen relativ gering, was dazu führt, dass Biomasseenergie teurer ist als fossile Energie und neue Energie. Daher ist die einfache und effiziente Verbesserung der photosynthetischen Kohlenstofffixierungseffizienz der Schlüssel zur Steigerung der Marktwettbewerbsfähigkeit von Biomasseenergie.

Obwohl die Wissenschaftler den genauen Mechanismus der Photosynthese noch nicht vollständig verstehen, können sie den Reaktionsverlauf grob skizzieren. Bei eukaryotischen Mikroalgen und grünen Pflanzen findet die Photosynthese in Chloroplasten statt und kann in zwei Teile unterteilt werden: Lichtreaktion und Dunkelreaktion.

Licht- und Dunkelreaktionen in Chloroplasten. Bildquelle: Referenz [4]

Bei der Lichtreaktion absorbieren Chloroplasten Sonnenlicht, um Wasser zu zersetzen, Sauerstoff freizusetzen und energiereiche Wirkstoffe zu synthetisieren; Bei der Dunkelreaktion wird Kohlendioxid mit Hilfe energiereicher Wirkstoffe, die durch die Lichtreaktion entstehen, und der katalytischen Wirkung einer Reihe kohlenstofffixierender Enzyme zu organischer Substanz wie Zucker reduziert.

Da die Lichtreaktion und die Dunkelreaktion parallel ablaufen, hängt die Photosyntheserate, ähnlich wie beim Fasseffekt, von der langsameren der beiden Reaktionen ab. Bei der Dunkelreaktion handelt es sich genau um dieses Manko, und zwar aus zwei Gründen: Zum einen liegt es an der unzureichenden Versorgung mit Kohlendioxid, zum anderen ist die katalytische Aktivität von Rubisco, dem Schlüsselenzym der Kohlenstofffixierung, zu gering.

Als Antwort auf den zweiten Grund verfolgt die Natur die Strategie, „mangelnde Effizienz durch Quantität auszugleichen“ und synthetisiert große Mengen von Rubisco, einem Schlüsselenzym für die Kohlenstofffixierung, was es zum am häufigsten vorkommenden Protein auf der Erde macht.

Was den ersten Grund betrifft, ist die Natur hilflos, da die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre 0,04 % beträgt. Mikroalgen leben hauptsächlich im Wasser, wo die Konzentration an gelöstem Kohlendioxid viel geringer ist als in der Atmosphäre. Wie das Sprichwort sagt: Ein guter Koch kann nicht ohne Reis kochen. Ohne den Rohstoff Kohlendioxid wird die Syntheserate von Biomasse natürlich nicht hoch sein.

Im Jahr 2023 wurde in einem in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Artikel über eine neue Strategie zur künstlichen Steigerung der photosynthetischen Kohlenstofffixierung in Mikroalgen berichtet.
Durch die Selbstorganisation einer Schicht aus künstlichem Material, das Kohlendioxid im Wasser anreichern kann, auf der Oberfläche von Mikroalgen kann Kohlendioxid effektiv auf der Oberfläche von Mikroalgen konzentriert und dann durch den inhärenten Kohlendioxid-Transportmechanismus von Mikroalgen in die Chloroplasten transportiert werden, wodurch die photosynthetische Kohlenstofffixierungseffizienz von Mikroalgen deutlich beschleunigt wird.

Schematische Darstellung des Prinzips der künstlichen Verbesserung der photosynthetischen Kohlenstofffixierungsstrategie von Mikroalgen. Bildquelle: Referenz [5]

Es ist, als ob jemand an einem regnerischen Tag mit offenem Mund an der Tür steht. Er kann nicht viel Wasser trinken. Würde er einen Tank mithilfe eines Wassersammelgeräts mit Wasser füllen und vor die Tür stellen, mangelt es ihm nicht lange an Trinkwasser.

Bei dieser Strategie werden auf geschickte Weise künstliche Materialien verwendet, die sich auf der Oberfläche von Mikroalgen ansammeln, um Kohlendioxid anzureichern. Dadurch wird der Engpass überwunden, der darin besteht, dass Mikroalgen nur in Wasser gelöstes Kohlendioxid nutzen können . Die photosynthetische Kohlenstofffixierungsrate von Mikroalgen wird dadurch nahezu verdoppelt. Dadurch entsteht nicht nur in der gleichen Zeit mehr Biomasse für unseren Bedarf, sondern auch mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre, was uns hilft, das ehrgeizige Ziel der CO2-Neutralität so schnell wie möglich zu erreichen.

Abschluss

Mikroalgen haben in der Evolution der Erde eine entscheidende Rolle gespielt und tragen bis heute in vielerlei Hinsicht zu einem glücklichen Leben bei. Aufgrund der insgesamt geringen photosynthetischen Effizienz ist die weitere Entwicklung mikroalgenbezogener Industrien jedoch eingeschränkt.

Zu diesem Zweck müssen wir nicht nur die spezifischen Regulationsmechanismen der natürlichen Photosynthese eingehend erforschen und danach streben, „die Natur zu verstehen“, sondern auch unseren Geist frei machen und nach Wegen suchen, die Photosynthese fach- und bereichsübergreifend zu verbessern, damit die Entwicklung unserer menschlichen Gesellschaft mit der Ruhe und dem Frieden der Natur einhergehen kann.

Verweise

[1] BENEMANN J. Mikroalgen für Biokraftstoffe und Tierfutter. Energies 2013, 217: 5869-5886.

[2] CLARK DP & PAZDERNIK N J. in Molecular Biology (Zweite Ausgabe). 2013, 812-853.

[3] DE VRIES J & ARCHIBALD J M. Pflanzenevolution: Meilensteine ​​auf dem Weg zum terrestrischen Leben[J]. 2018, 217(4): 1428-1434.

[4] GAN P, LIU F, LI R, et al. Chloroplasten – Mehr als Energiegewinnung und Kohlenstofffixierung: Feinabstimmung der Photosynthese als Reaktion auf Kältestress. International Journal of Molecular Sciences 2019, 20: 5046.

[5] LI D, DONG H, CAO X, et al. Verbesserung der photosynthetischen CO2-Fixierung durch den Aufbau metallorganischer Gerüste auf Chlorella pyrenoidosa[J]. Nature Communications 2023, 14(1): 5337.

Planung und Produktion

Autor: Li Dingyi und Li Xueyang Dalian Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Yinuo