Meeresalgen: Per Achterbahn dem Klimawandel trotzen

10. September 2018, von Prof. Dr. Elisa Schaum

Foto: UHH/Wohlfahrt

Elisa Schaum im Labor

Aus dem Meer stammt die Hälfte des Sauerstoffs, den wir atmen. Winzige Algen, das so genannte Phytoplankton, produzieren diesen Sauerstoff. Gleichzeitig sind sie die Basis der gesamten Nahrungskette im Ozean. Durch den Klimawandel verändert sich ihr Lebensraum jedoch. Was macht das mit den kleinen Kraftpaketen?

Wenn wir uns die Welt im Jahr 2100 vorstellen, hat der Klimawandel womöglich schon einiges im Meer verändert. Ich möchte deshalb am Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) herausfinden, wie Algen langfristig auf neue und extreme Bedingungen reagieren werden. Um zehn Grad wärmeres Wasser? Deutlich mehr CO₂ im Meer gelöst – und damit saureres Wasser? Viele Algen von heute hielten dies nicht aus. Modellrechnungen sagen deshalb voraus, dass der Bestand langfristig um ein Fünftel schrumpfen könnte – mit weitreichenden Folgen für Ozean und Atmosphäre weltweit.

Doch ist die Alge von heute wirklich die Alge von morgen? Algen vermehren sich schnell und ihre Populationen sind riesig. Nach ein bis zwei Tagen hat sich eine Generation komplett ausgetauscht – eine gute Voraussetzung für Mutationen, die zu günstigen genetischen Anpassungen führen können.

Wir haben deshalb eine Kieselalge namens Thalassiosira pseudonana in hunderten von Mini-Aquarien verschiedenen Temperaturen ausgesetzt. Ihre „Wohlfühltemperatur“ liegt bei 22 Grad Celsius, parallel halten wir sie in vier Grad wärmerem Wasser bei 26 Grad. Laut Weltklimabericht könnte sich die Temperatur bis zum Jahr 2100 durchschnittlich etwa so weit erhöht haben. Da dies nur ein Mittelwert ist, werden Spitzenwerte – wie zum Beispiel bei einer Hitzewelle – weitaus höher ausfallen. Deshalb wollen wir die Alge noch mehr reizen. Wir setzen sie in weiteren 100 Behältern dauerhaft sogar 32 Grad aus.

Wenn ein Experiment eingerichtet ist, dann hieß es für mein Team bisher: mehrmals in der Woche kontrollieren, reinigen und Algen füttern. Ein bis zwei Jahre lang! Auch Weihnachten, auch im Sommerurlaub. Evolution ist zwar wunderschön, aber sie dauert! Wir beenden die Versuche meist erst nach 300 Generationen. Und manchmal kommt am Ende heraus, dass die Alge sich eben nicht dauerhaft an den getesteten Faktor anpassen kann und schlecht gedeiht. Auch eine wichtige Erkenntnis, doch selten von Freudensprüngen begleitet.

Könnten die Algen nicht dazu gebracht werden, sich in kürzerer Zeit anzupassen? Ich wollte jetzt erstmals eine neue Methode ausprobieren: Anstatt Thalassiosira langsam an die veränderten Bedingungen heranzuführen, habe ich sie einer Achterbahnfahrt ausgesetzt. In einer weiteren Versuchsreihe tauche ich sie buchstäblich in ein Wechselbad. Wärmer, kälter, wärmer, kälter, etwa alle vier Tage drehe ich den Thermostat von 22 auf 32 Grad hoch und nach vier Tagen wieder runter. Hält sie das aus?

Die überraschende Antwort: Sehr gut sogar! Das bestätigen die Ergebnisse eindrucksvoll. Während die Alge im stabilen 32-Grad-Modus von der Hitze überfordert war und sich etwa ein Jahr lang sehr schlecht entwickelt hat, konnte sie dieselbe Temperatur im schwankenden Modus problemlos tolerieren. Die Population kam – ebenso wie bei 26 Grad – prima in Schwung und wuchs schnell. Schneller sogar, als bei den gewohnten 22 Grad. Unsere Analysen zeigen denn auch, dass sich Thalassiosira unter schwankenden Bedingungen genetisch am stärksten veränderte.

Ein instabiles Milieu befördert also die genetische Anpassung bei Algen - eine bahnbrechende Erkenntnis. Sie sind dann besser gewappnet, sich an künftige extreme Situationen anzupassen. Praktischer Nebeneffekt: Unsere Experimente können kürzer werden.

Um das flexible Phytoplankton müssen wir uns also zunächst keine Sorgen machen. Vielmehr sollten wir dessen Räuber im Auge behalten, die sich womöglich nicht so schnell anpassen können. Die Algen mit ihrer Wandlungsfähigkeit sind anscheinend stets einen Schritt voraus.

Dieser Artikel erschien im September 2018 als Gastbeitrag im Hamburger Abendblatt.

Elisa Schaum ist Expertin für die Evolution von Plankton am Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) der Universität Hamburg

Fachartikel: Schaum EC, Buckling A, Smirnoff N, Studholme DJ, Yvon-Durocher G (2018): Environmental fluctuations accelerate molecular evolution of thermal tolerance in a marine diatom , Nature Communications 9, 1719

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