Sie sind sehr klein, deshalb wird ihre Bedeutung oft unterschätzt. Doch Mikroalgen betreiben rund die Hälfte der weltweit stattfindenden Photosynthese. Sie halten in dieser Hinsicht also locker mit der Gesamtheit aller Landpflanzen Schritt. Zudem bilden Mikroalgen – sogenanntes Phytoplankton – die Basis der meisten Nahrungsnetze in den Weltmeeren.
Dabei gibt jede einzelne photosynthetisch aktive Zelle eine Vielzahl organischer Substanzen ab, die sich im Meerwasser allmählich von der Zelle wegbewegen. Rund um jede Mikroalge entsteht so eine kleine Wolke aus verschiedenen Stoffen. Forschende nennen sie Phycosphäre. Sie ist der Ort, an dem Mikroalgen und Bakterien bevorzugt miteinander interagieren. Diese Wechselwirkungen prägen den Kohlenstoffkreislauf in den Ozeanen.
Vermessung der chemischen Landschaft
Die Phycosphäre enthält chemische Signale, die von einer Vielzahl von Bakterien wahrgenommen werden können. Diese Bakterien folgen den Stoffen, um sich auf die Mikroalgen zuzubewegen, wo sie kohlenstoffhaltige organische Stoffe mit den Mikroalgen austauschen. «Die Phycosphäre ist einer der wichtigsten Marktplätze für organischen Kohlenstoff in den Meeren», sagt Roman Stocker, Professor am Institut für Umweltingenieurwissenschaften der ETH Zürich.
Bisher ging die Forschung davon aus, dass dieser Marktplatz den Gesetzen der einfachen Diffusion folgt – und dass sich alle Substanzen nach demselben Muster verteilen: Demnach sind sie in unmittelbarer Umgebung der Mikroalge in höheren Konzentrationen zu finden, und mit zunehmendem Abstand von der photosynthetischen Zelle nehmen diese Konzentrationen allmählich ab.
Nun hat das Team um Stocker mithilfe eines technisch aufwendigen Verfahrens namens Raman-Mikrospektroskopie erstmals die Konzentrationen einer solchen Substanz – genannt Fucoxanthin – in der unmittelbaren Umgebung von einzelnen, lebenden Mikroalgenzellen aufgezeichnet und so die chemische Landschaft um das Phytoplankton genau vermessen. Ihre Ergebnisse präsentieren die Forschenden in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.
Wie eine Zwiebel
Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass die Konzentration an Fucoxanthin in der Nähe der Phytoplanktonzelle viel stärker ansteigt als erwartet. Dies deutet darauf hin, dass die Phycosphäre tatsächlich aus mehreren Schichten besteht. Sie sind wie Zwiebelschalen in immer grösseren kugelförmigen Hüllen um die Mikroalge in der Mitte gewickelt. Dabei bestimmen die chemischen Eigenschaften der abgegebenen Stoffe, wie weit sich die einzelnen Schichten ausdehnen.
Die Forschenden kamen zum Schluss, dass es deutliche Unterschiede zwischen den Substanzen gibt: Nur wasserlösliche Stoffe wie Zucker oder Aminosäuren verhalten sich so, wie es man aufgrund der einfachen Diffusion erwarten würde. Ihre Konzentration nimmt sehr allmählich ab, je grösser der Abstand zu den Mikroalgen wird.
Anders ist es bei wasserabweisenden Stoffen wie Fucoxanthin, dasdass eines der wichtigsten Photosynthese-Pigmente in vielen Mikroalgen ist. Diese Substanz bleibt in der Nähe der Mikroalge stark konzentriert und ihre Konzentration nimmt rund zehn Mikrometer von der Zelloberfläche entfernt sehr stark ab. Wie ist das möglich? Zachary Landry und Riccardo Foffi, die beiden Erstautoren der Studie, stellten fest, dass eine dünne Schicht aus schleimartigen Stoffen rund um die Mikroalge dafür verantwortlich ist.
Schleim mit doppelter Funktion
Eine Art Schleim umhüllt die Mikroalge, der gemäss den Forschenden eine doppelte Funktion erfüllt: «Einerseits hilft er wasserabweisenden Stoffen, sich im Wasser zu verteilen», sagt Foffi. Andererseits halte der Schleim die Moleküle zurück – und hindere sie daran, sich von der Zelle weg zu bewegen, was zu den deutlich höheren Konzentrationen in der Nähe der Zelloberfläche führe.
«Dadurch entstehen viel stärkere chemische Signale», fügt Landry hinzu. «Sie machen es den Bakterien einfacher, die winzigen Mikroalgenzellen im Ozean zu finden.» Das verändert das bisherige Bild der Phycosphäre grundlegend. Den Forschenden zufolge haben ihre Ergebnisse wichtige Auswirkungen auf Modelle der Wechselwirkungen zwischen Phytoplankton und Bakterien. Zudem zeigen sie, dass gute experimentelle Arbeiten auch in einer zunehmend rechnergestützten Welt weiterhin wichtig bleiben.
Die Studie zeigt, dass die unmittelbare Umgebung von Mikroalgen viel komplexer aufgebaut ist als bisher angenommen. Diese neuen Erkenntnisse könnten helfen, die Wechselwirkungen zwischen Mikroalgen und Bakterien – und damit einen wichtigen Teil des Kohlenstoffkreislaufs der Meere – besser zu verstehen.
ETH Zürich
Originalpublikation:
Landry ZC, Foffi R, Anelli V, Arosio P, Gil-Garcia M, Henshaw RJ, Müller O, Paccagnan G, Schneider TN, Schubert CJ, Słomkab J, Lee KS, Zambelli T, Zweifel S, and Stocker R.: Raman imaging of the phycosphere reveals sharp gradients of organic matter exuded by single phytoplankton cells, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2026). https://doi.org/10.1073/pnas.2535317123
