Neue Forschungsergebnisse liefern den ersten Beweis dafür, warum wir komplexe Lebensformen in Polarozeanen haben, und verdeutlichen die Bedrohung durch die globale Erwärmung.
Es zeigt die lebenswichtige Rolle des Spurenmetalls Zink, ohne das diesen Ozeanen das Leben genommen würde, das biologisch komplexer ist als Bakterien. Diverse Algen hätten die Polarmeere nicht besiedelt, und ohne Algen wäre die biologische Vielfalt der Meere stark erschöpft, da Algen die Grundlage des marinen Nahrungsnetzes sind.
An der Studie war ein internationales Team von 46 Forschern aus fünf Ländern beteiligt, darunter Wissenschaftler der University of East Anglia (Großbritannien), des Yellow Sea Fisheries Research Institute (China), des Joint Genome Institute (JGI) des US-Energieministeriums und Alfred- Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung (Deutschland).
Veröffentlicht in Naturökologie & Evolutionzeigen die Ergebnisse, dass die Polarozeane aufgrund von Zink zu den produktivsten Meeresökosystemen der Erde gehören, das offenbar die Photosynthese unter den extremen polaren Bedingungen mit niedrigen Temperaturen und starker Saisonabhängigkeit des Lichts ermöglicht hat.
Der leitende britische Forscher Prof. Thomas Mock von der School of Environmental Sciences der UEA sagte: „Dies ist das erste Papier, das die Rolle eines essentiellen Spurenmetalls für das Leben mit der adaptiven Evolution vieler verschiedener und daher entfernt verwandter Organismengruppen zu a bedeutendes Ökosystem auf der Erde.
„Diese Entwicklung scheint es diesen Primärproduzenten ermöglicht zu haben, mit den herausfordernden Bedingungen der polaren Oberflächenozeane fertig zu werden. Ohne Zink hätten wir keine Algen und damit auch keine Fische oder andere Meerestiere. Daher scheint Zink die Evolution des Komplexes vorangetrieben zu haben Leben in polaren Ozeanen.
„Wenn jedoch die Zinkkonzentrationen in polaren Oberflächengewässern reduziert werden, beispielsweise durch Schichtung aufgrund der globalen Erwärmung, wird das polare Leben möglicherweise schneller verschwinden als in anderen Ozeanen, da das Leben in nicht-polaren Ozeanen nicht von erhöhten Zinkkonzentrationen abhängig ist.“
Beim Menschen unterstützt Zink eine Reihe von Funktionen, darunter das Immunsystem und den Stoffwechsel. In den Ozeanen unterstützt es mehrere grundlegende biologische Prozesse wie DNA-Replikation und -Regulierung, Photosynthese und Kohlenstofffixierung.
Die Gründe für den erhöhten Bedarf an Zink durch natürliche polare Algengemeinschaften, insbesondere im Südpolarmeer rund um die Antarktis, bleiben unklar, aber diese neuen Daten deuten darauf hin, dass polare Mikroalgen einen intrinsisch höheren Zinkbedarf haben.
Der Hauptautor Prof. Naihao Ye vom Yellow Sea Fisheries Research Institute sagte: „Diese Studie zeigt, dass erhöhte Zinkkonzentrationen in den polaren Ozeanen an der Oberfläche die Anpassungsentwicklung von Algen an die Bedingungen dieser Umgebungen mit dauerhaft niedrigen Temperaturen erleichtert haben Bildung einiger der produktivsten Nahrungsnetze der Erde.
„Ganz allgemein deuten der besonders hohe Zinkbedarf des polaren Phytoplanktons und die Rolle, die es im biogeochemischen Kreislauf von Zink spielt, darauf hin, dass Änderungen in ihrer Häufigkeit und Biodiversität aufgrund eines sich ändernden Klimas den Zinkkreislauf im gesamten globalen Ozean direkt modulieren werden.“
Frühere Untersuchungen haben ergeben, dass ozeanische Oberflächengewässer eine erhebliche Variabilität in ihren gelösten Zinkkonzentrationen aufweisen, die von überdurchschnittlichen Konzentrationen im Südpolarmeer bis zu verschwindend niedrigen Konzentrationen in den tropischen Ozeanen reichen.
Es wird auch vermutet, dass der besonders hohe Zinkbedarf von Polaralgen einen großen Teil der globalen Zinkverteilung reguliert.
Die Autoren dieser Studie, die Ansätze verwendet hat, die von der Feldarbeit bis zur Anwendung genomgestützter Methoden zur Modellierung von Algenarten reichen, warnen davor, dass der Klimawandel möglicherweise die Zinkkonzentrationen in unpolaren Ozeanen verringern und daher Zinkbeschränkungen verursachen könnte.
Die Photosynthese in polaren Ökosystemen erfordert eine Regulierung, um mit der extremen Saisonabhängigkeit von 24 Stunden Licht im Sommer und langen Dunkelheitsperioden im Winter fertig zu werden.
Für das dunkle Ende des Lichtspektrums haben kälteangepasste Algen Mechanismen entwickelt, um ihren Lichtkompensationspunkt – die Lichtintensität, bei der die Sauerstoffproduktion gleich dem Verbrauch ist – deutlich zu reduzieren, um unter extrem niedrigen Lichtverhältnissen Photosynthese zu betreiben.
„Die Rolle von Zink in der adaptiven Evolution des polaren Phytoplanktons“, Naihao Ye et al., wurde in veröffentlicht Naturökologie & Evolution am 2. Juni.
Naihao Ye et al., Die Rolle von Zink in der adaptiven Evolution des polaren Phytoplanktons, Naturökologie & Evolution (2022). DOI: 10.1038/s41559-022-01750-x