In den kalten Gewässern rund um die Antarktis kommt es zu einem ungewöhnlichen Jahreszeitenzyklus. Im Winter, von März bis Oktober, geht die Sonne kaum auf. Wenn Meerwasser gefriert, weist es Salze ab, wodurch Taschen mit besonders salziger Sole entstehen, in denen Mikroben im Winter leben. Im Sommer schmilzt das Meereis bei konstantem Tageslicht und erzeugt wärmeres, frischeres Wasser an der Oberfläche.
Dieses abgelegene Ökosystem beherbergt einen Großteil des photosynthetischen Lebens im Südpolarmeer. Eine neue Studie der University of Washington liefert die ersten Messungen darüber, wie sich Meereishalgen und andere einzellige Lebewesen an diese saisonalen Rhythmen anpassen, und gibt Hinweise darauf, was passieren könnte, wenn sich diese Umgebung im Zuge des Klimawandels verändert.
Die Studie, veröffentlicht in der ISME-Journalenthält einige der ersten Messungen darüber, wie Meereismikroben auf sich ändernde Bedingungen reagieren.
„Wir wissen sehr wenig darüber, wie Meereis-Mikroben auf Änderungen des Salzgehalts und der Temperatur reagieren“, sagte Hauptautorin Hannah Dawson, eine Postdoktorandin an der UW, die die Arbeit während ihrer Promotion in Ozeanographie an der UW durchführte. „Und bisher wussten wir fast nichts über die Moleküle, die sie produzieren und in chemischen Reaktionen verwenden, um am Leben zu bleiben, die für die Unterstützung höherer Organismen im Ökosystem sowie für Klimaauswirkungen wie Kohlenstoffspeicherung und Wolkenbildung wichtig sind.“
Die Polarmeere spielen eine wichtige Rolle bei den globalen Meeresströmungen und bei der Unterstützung mariner Ökosysteme. Mikroben bilden die Basis des Nahrungsnetzes und unterstützen größere Lebensformen.
„Polarmeere machen einen erheblichen Teil der Weltmeere aus, und es handelt sich um sehr produktive Gewässer“, sagte die leitende Autorin Jodi Young, Assistenzprofessorin für Ozeanographie an der UW. „Diese Gewässer beherbergen große Krillschwärme, die Wale, die sich von diesem Krill ernähren, und entweder Eisbären oder Pinguine. Und der Ursprung dieses gesamten Ökosystems sind diese einzelligen, mikroskopisch kleinen Algen. Wir wissen einfach so wenig über sie.“
Auch für das Klima sind die winzigen Organismen wichtig, da sie still und leise Photosynthese betreiben und Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnehmen. Polaralgen sind besonders gut darin, schwefelhaltige Moleküle zu produzieren, die den Stränden ihren charakteristischen Geruch verleihen und, wenn sie in der Gischt in die Luft geschleudert werden, die Bildung von Wolken fördern, die das Eindringen von Sonnenstrahlen verringern können.
Das antarktische Meereis ist zwar seit langem stabil, befindet sich aber auf einem Allzeit-Rekordtief dieses Jahr.
In anderen Ozeanen können Satelliteninstrumente dramatische saisonale Phytoplanktonblüten aus dem Weltraum erfassen – für Mikroben, die unter Meereis versteckt sind, ist das jedoch nicht möglich. Und die Gewässer der Antarktis stellen eine besondere Herausforderung dar, sodass Forscher im Winter fast keine Messungen durchführen können.
Ende 2018 reisten Dawson und Co-Autorin Susan Rundell zur Palmer Station, einer US-amerikanischen Forschungsstation auf der Westantarktischen Halbinsel. Sie nutzten ein kleines Boot, um alle drei Tage Meerwasser und Meereis an denselben nahegelegenen Standorten zu beproben.
Zurück an Land führten die beiden Doktoranden zehntägige Experimente in Tanks durch, um zu sehen, welche Mikroben wuchsen, wenn Temperatur und Salzgehalt so angepasst wurden, dass sie die Bildung und das Schmelzen von Meereis nachahmen. Sie schickten auch Proben zurück nach Seattle, um komplexere Messungen der Genetik und der Metaboliten der Proben, der kleinen organischen Moleküle, die von der Zelle produziert werden, durchzuführen.
Die Ergebnisse zeigten, wie einzellige Algen mit ihren sich verändernden Umgebungen umgehen. Wenn die Temperaturen sinken, produzieren die Zellen Kälteschutzmittel, ähnlich einem Frostschutzmittel, um zu verhindern, dass ihre Zellflüssigkeit auskristallisiert. Viele der häufigsten Kryoprotektivum-Moleküle waren bei verschiedenen mikrobiellen Lebensformen gleich.
Wenn sich der Salzgehalt ändert, ändern die Zellen die Konzentration salzähnlicher organischer Moleküle, um zu vermeiden, dass sie in erfrischendem Wasser platzen oder in salzigen Bedingungen wie Rosinen austrocknen. Viele dieser Moleküle erfüllen eine doppelte Rolle als Kryoschutzmittel, um die Bedingungen innerhalb und außerhalb der Zelle auszugleichen und den Wasserhaushalt aufrechtzuerhalten.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Gemeinschaftsstruktur in jeder Probe bei kurzfristigen Temperatur- und Salzgehaltsänderungen stabil blieb und gleichzeitig die Produktion von Schutzmolekülen anpasste. Verschiedene Mikrobenarten reagierten konsistent auf veränderte Bedingungen. Dies sollte die Modellierung zukünftiger Reaktionen auf den Klimawandel vereinfachen, sagte Young.
Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die Produktion von Omega-3-Fettsäuren in Umgebungen mit geringerem Salzgehalt zurückgehen könnte. Dies wäre eine schlechte Nachricht für Verbraucher von Krillöl-Nahrungsergänzungsmitteln und für das Meeresökosystem, das auf diese aus Algen gewonnenen Nährstoffe angewiesen ist. Zukünftige Forschungen, die derzeit von der UW-Gruppe durchgeführt werden, zielen darauf ab, dieses Ergebnis zu bestätigen – insbesondere im Hinblick auf die Aussicht auf einen zunehmenden Süßwassereintrag durch schmelzendes Meereis und Gletscher.
„Wir sind daran interessiert, wie diese Meereisalgen unter normalen Bedingungen mit Veränderungen der Temperatur, des Salzgehalts und des Lichts zurechtkommen“, sagte Dawson. „Aber dann haben wir auch den Klimawandel, der die Landschaft völlig verändert, und zwar im Hinblick darauf, wann sich Meereis bildet, wie viel Meereis sich bildet, wie lange es bleibt, bevor es schmilzt und wie viel Süßwasser von Gletschern zugeführt wird.“ Wir versuchen beide zu erfassen, was jetzt passiert, und fragen uns auch, wie wir daraus Erkenntnisse darüber gewinnen können, was in der Zukunft passieren könnte.“
Mehr Informationen:
Jodi Young et al., Mikrobielle metabolomische Reaktionen auf Änderungen der Temperatur und des Salzgehalts entlang der westlichen Antarktischen Halbinsel, ISME-Journal (2023).