Sie sind klein, aber sie sind mächtig. Von der Produktion von Sauerstoff, den wir atmen, über die Aufnahme von Kohlenstoff, den wir ausstoßen, bis hin zur Ernährung von Fischen, die wir essen: Winziges Phytoplankton ist ein entscheidender Teil der Ökosysteme der Ozeane und für das Leben, wie wir es auf der Erde kennen, unerlässlich. Um uns einen neuen Blick auf diese außergewöhnlichen Wasserorganismen zu ermöglichen, startet die NASA Anfang 2024 einen Satelliten.
Instrumente des Satelliten PACE (kurz für Plankton, Aerosol, Cloud, and Ocean Ecosystem) werden auf den Ozean blicken und Daten über die Farben des von ihm reflektierten Lichts sammeln, um uns zu verraten, wo verschiedene Arten von Phytoplankton gedeihen.
Das Ocean Color Instrument auf PACE wird in der Lage sein, mehr als 100 verschiedene Wellenlängen zu beobachten und ist der erste wissenschaftliche Satellit, der dies täglich auf globaler Ebene tut. Dieses „hyperspektrale“ Instrument wird es erstmals ermöglichen, Phytoplankton aus dem Weltraum nach Arten zu identifizieren.
Phytoplankton und Photosynthese
Phytoplankton sind winzige Organismen, die auf der Oberfläche des Ozeans und anderer Gewässer schwimmen. Wie Landpflanzen nutzt Phytoplankton die Photosynthese, um Sonnenlicht und Kohlendioxid zu absorbieren und Sauerstoff und Kohlenhydrate, also mit Kohlenstoff gefüllte Zucker, zu erzeugen. Diese Zucker machen Phytoplankton zum Zentrum des Nahrungsnetzes der Ozeane: Sie ernähren größere Tiere – vom Zooplankton über Schalentiere bis hin zu Flossenfischen –, die dann von noch größeren Fischen und Meeressäugetieren gefressen werden. Die Bildung dieser Zucker aus Sonnenlicht wird als Primärproduktion bezeichnet.
Obwohl Phytoplankton weniger als 1 % der gesamten Biomasse auf der Erde ausmacht, die Photosynthese betreiben kann, liefert es etwa 45 % der globalen Primärproduktion. Ohne Phytoplankton würden die meisten Nahrungsnetze der Ozeane zusammenbrechen, was sowohl für das Meeresleben als auch für den Menschen, der auf Fische als Nahrung angewiesen ist, verheerende Folgen hätte.
Die winzigen Organismen liefern mehr als nur Nährstoffe. Durch Photosynthese erzeugt Phytoplankton Sauerstoff, der an den Ozean und die Atmosphäre abgegeben wird. Tatsächlich hat Phytoplankton, seit es vor über 3 Milliarden Jahren mit der Photosynthese begann – mehr als zwei Milliarden Jahre vor Landpflanzen und Bäumen – etwa 50 % des gesamten Sauerstoffs hergestellt, der auf der Erde produziert wurde.
Durch die Photosynthese spielen sie auch eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf, da sie Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen. Was Phytoplankton mit diesem Kohlenstoff macht, hängt von der Art ab.
„Phytoplankton ist wie Pflanzen an Land sehr vielfältig“, sagte Ivona Cetinić, biologische Ozeanographin im Ocean Ecology Lab am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. Jede dieser vielfältigen Arten habe unterschiedliche Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, unterschiedliche Aufgaben im Kohlenstoffsystem der Erde zu übernehmen, sagte sie.
Phytoplankton wie Emiliana huxleyi bauen Kohlenstoff in ihre schalenartige Außenhülle ein. Wenn sie sterben, sinken die Muscheln und binden den Kohlenstoff in den Tiefen des Ozeans. Andere Phytoplanktonarten passen in eine bestimmte Nische für wählerische Esser wie Austern, die nur Phytoplankton einer bestimmten Größe fressen. Wieder andere Phytoplanktonarten können Kohlenstoff durch Photosynthese einfangen, wo er dann auf der Meeresoberfläche verbleibt, bis sich die Organismen zersetzen und den Kohlenstoff als Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre abgeben.
„Ich hoffe, dass PACE, sobald es uns einen Einblick in die Phytoplanktonvielfalt der Ozeane gibt, uns so viel mehr über den globalen Kohlenstofffluss in den Ozeanen jetzt und in der Zukunft sagen kann“, sagte Cetinić.
Ivona Cetinić, wissenschaftliche Leiterin für Ozeanbiogeochemie bei PACE (Plankton, Aerosol, Wolke, Ozean-Ökosystem), beschreibt die seltsame, wunderbare und wichtige Welt des Phytoplanktons und warum es für die PACE-Mission wichtig ist, diese winzigen Lebewesen zu untersuchen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Phytoplankton in der Kälte
Selbst in kälteren Gewässern in höheren Breiten ist Phytoplankton für das Leben im Meer von entscheidender Bedeutung. In Polarregionen kann die Phytoplanktonblüte – wenn die Organismen wachsen und sich in großer Zahl vermehren, die vom Weltraum aus sichtbar ist – dem Zyklus der Meereisschmelze folgen.
Wenn die Meereisbedeckung zurückgeht, kann Sonnenlicht die Meeresoberfläche und das darauf schwimmende Phytoplankton erreichen, sodass sie nach einer langen Zeit der Abdeckung Photosynthese betreiben und gedeihen können. Dadurch entsteht Treibstoff für andere Arten. Polararten, von Muscheln und Krill bis hin zu Walrossen und Walen, sind auf diese rechtzeitigen Blüten als Nahrungsquelle angewiesen.
„Eine Änderung des Zeitpunkts der Blüte wirkt sich auf das gesamte Ökosystem aus“, sagte Aimee Neeley, biologische Ozeanographin bei NASA Goddard.
Da sich der Zeitpunkt und das Ausmaß des Meereisrückgangs in einem sich erwärmenden Klima ändern, wird PACE in der Lage sein, Änderungen im Zeitpunkt der Blüte zu verfolgen und Einblicke in die umfassenderen Auswirkungen auf das Ökosystem zu liefern.
Identifizierung schädlichen Phytoplanktons
Nicht jedes Phytoplankton ist für Ökosysteme von Vorteil. Einige Arten können Giftstoffe produzieren, die für Menschen oder andere Meereslebewesen gefährlich sind. Diese schädlichen Algenblüten können Ökosysteme sowie das tägliche Leben von Menschen in der Nähe von Küsten, Seen und Flüssen stören. Beispielsweise können Blüten von Cyanobakterien mit den von ihnen erzeugten Giftstoffen das Trinkwasser und die Nutzung von Freizeitgewässern verderben.
Wissenschaftler haben einige Satellitendaten verwendet, um diese Blüten und die Bedingungen, die sie verursachen, zu verfolgen und zu überwachen. PACE soll die Entschlüsselung dieser Arten und Bedingungen erleichtern und es den Menschen ermöglichen, Wege zu entwickeln, um die Auswirkungen abzumildern und zukünftige Blüten zu verhindern.
„Nicht jedes Phytoplankton erzeugt schädliche Algenblüten. Wenn wir also die Satellitendaten nutzen könnten, um schädliche von nicht schädlichen Blüten besser zu trennen, wäre das hilfreich für Wassermanager und Wissenschaftler, die versuchen, Phytoplanktongemeinschaften in einer Region zu verstehen“, sagte Bridget Seegers, ein Ozeanograph bei NASA Goddard.
PACE wird nicht der erste Satellit sein, der es uns ermöglicht, Phytoplankton aus dem Weltraum zu sehen. Die Mission ist ein Nachfolger von Missionen wie Terra, Aqua, Landsat und SeaWiFS (der Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor), die seit den 1990er Jahren Daten über Phytoplankton sammeln. PACE, das von Ingenieuren der NASA Goddard zusammengestellt und verwaltet wird, wird unsere Fähigkeit, Phytoplankton jeden Tag auf der ganzen Welt zu unterscheiden und zu verfolgen, erheblich erweitern.
„Hoffentlich wird uns die hyperspektrale Natur des Ocean Color Instruments ermöglichen, die Phytoplanktonarten besser voneinander und von Nicht-Phytoplanktonpartikeln zu unterscheiden“, sagte Neeley. „Für mich werden die Forschungsmöglichkeiten endlos sein.“