Phytoplankton, winzige photosynthetische Organismen im Ozean, spielen eine entscheidende Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und beeinflussen das Klima der Erde. Eine neue Studie zeigt, wie sich Unterschiede in der Physiologie des Phytoplanktons, insbesondere hinsichtlich der Nährstoffaufnahme, auf die chemische Zusammensetzung des Ozeans und sogar der Atmosphäre auswirken können. Dies deutet darauf hin, dass Veränderungen in der Physiologie des marinen Phytoplanktons das globale Klima beeinflussen können.
Phytoplankton im Ozean spielt eine zentrale Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf, da es Photosynthese durchführt und dabei Kohlenstoff (C) einfängt und in die Tiefsee transportiert. Das Wachstum von Phytoplankton ist nicht nur auf Kohlenstoff, sondern auch auf Stickstoff (N) und Phosphor (P) angewiesen, die für die Zellfunktion von entscheidender Bedeutung sind.
Die Phytoplankton-Stöchiometrie definiert die relativen Anteile verschiedener Elemente wie C, N und P in diesen Organismen. Zwischen der Phytoplankton-Stöchiometrie und dem Klima bestehen wichtige Zusammenhänge durch Wechselwirkungen zwischen der ozeanischen Kohlenstoffpumpe, dem Nährstoffkreislauf, der Dynamik des Nahrungsnetzes und Reaktionen auf klimabezogene Faktoren wie die Konzentration und Temperatur von atmosphärischem Kohlendioxid (CO2).
In den 1930er Jahren machte der amerikanische Ozeanograph Alfred C. Redfield eine wichtige Entdeckung: Er fand heraus, dass die Konzentrationen der Elemente C, N und P im marinen Phytoplankton ungefähr einem festen Verhältnis von etwa 106:16:1 folgen – dem heutigen Verhältnis nach ihm benannt, das Redfield-Verhältnis.
Überraschenderweise ergab Redfields Forschung auch, dass in den von ihm gesammelten Meerwasserproben die Konzentration von Nitrat, einer primären Stickstoffnährstoffquelle, im Durchschnitt 16-mal höher war als die Konzentration von Phosphat, einer primären Phosphornährstoffquelle. Die Stickstoff-zu-Phosphor-Verhältnisse (N:P) im Phytoplankton und im Meerwasser sind bemerkenswert ähnlich, was auf einen starken Zusammenhang zwischen den Nährstoffvorräten von Partikeln (Phytoplankton) und gelösten Nährstoffen (Meerwasser) hinweist.
Die Frage, ob das N:P-Verhältnis des gelösten Pools das Verhältnis im Partikelmaterial steuert oder umgekehrt, beschäftigt die Meereswissenschaften seit langem. „Es ist eine Henne-Ei-Frage“, sagt Dr. Chia-Te Chien, Forscherin in der Forschungsgruppe Biogeochemische Modellierung am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel, die die Rolle der variablen Stöchiometrie des Phytoplanktons im Meer untersucht Meeresbiogeochemie.
Gemeinsam mit seinen Kollegen hat er nun eine Modellstudie durchgeführt, die den Zusammenhang zwischen den Verhältnissen von Stickstoff und Phosphor in gelöster anorganischer und partikulärer organischer Substanz im Meerwasser untersucht. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschrittebetont die Bedeutung variabler C:N:P-Verhältnisse des Phytoplanktons für die Regulierung der gelösten ozeanischen Nährstoffverhältnisse auf globaler Ebene und hebt den Meeressauerstoffgehalt als einen entscheidenden Regulator im Erdsystem hervor.
Um diese Beziehungen zu untersuchen, verwendeten die Autoren ein Computermodell der Algenphysiologie, gekoppelt mit einem Erdsystemmodell, bei dem Phytoplankton seine C:N:P-Verhältnisse als Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen dynamisch optimiert. Im Computermodell konnten sie die Eigenschaften des Phytoplanktons verändern und beobachten, wie sich dadurch die Stickstoff- und Phosphorverhältnisse im Wasser veränderten.
Sie führten ein Ensemble von 400 Simulationen durch, die sich in den minimalen Stickstoff- und Phosphorgehalten unterscheiden, die Algen zum Überleben benötigen. Die Modellergebnisse offenbaren komplizierte Rückkopplungsmechanismen, die Veränderungen im Stickstoff- und Phosphorgehalt des Phytoplanktons, den ozeanischen Sauerstoffgehalt, die N2-Fixierung durch stickstofffixierendes Phytoplankton und die Denitrifikation umfassen.
Diese Modellergebnisse stellen den allgemein angenommenen starken Zusammenhang zwischen Phytoplankton und Meerwasser-Nährstoffverhältnissen in Frage. Anstatt zu versuchen, die Gründe für die Ähnlichkeit der derzeit beobachteten Verhältnisse zwischen Phytoplankton und Meerwasser aufzudecken, zeigen die Ergebnisse, dass diese Verhältnisse nicht grundsätzlich ähnlich sind. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Ähnlichkeit, wie sie heutzutage beobachtet wird, um einen bestimmten Zustand, und dieser Zustand kann sich ändern, zumindest auf einer Zeitskala, die nicht durch die jahrzehntelangen In-situ-Beobachtungen der Ozeane abgedeckt wird.
Darüber hinaus verdeutlicht die Analyse den potenziell erheblichen Einfluss der Stickstoff- und Phosphorquoten des Phytoplanktons auf den atmosphärischen CO2-Gehalt auf geologischen Zeitskalen. Traditionell wurde davon ausgegangen, dass stöchiometrische Schwankungen des Phytoplanktons und innerhalb des Meeresökosystems einen relativ geringen Einfluss auf die marine Biogeochemie und damit auf den CO2-Gehalt in der Atmosphäre haben. Diese Ansicht könnte nun in Frage gestellt werden, denn diese Studie weist auf die potenzielle Bedeutung eines physiologischen Details für die Klimabedingungen auf unserem Planeten hin.
Die Autoren erläutern die Bedeutung der Ergebnisse: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Konzentration von atmosphärischem CO2 sowie die Ozean- und Lufttemperatur bemerkenswert empfindlich auf Schwankungen der Elementstöchiometrie reagieren, die durch Veränderungen in der Phytoplanktonphysiologie hervorgerufen werden.“ Das Verständnis dieser Zusammenhänge könnte Wissenschaftlern helfen, genauere Vorhersagen darüber zu treffen, wie sich die Ökosysteme und das Klima unseres Planeten in Zukunft entwickeln werden.
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Chia-Te Chien et al., Auswirkungen der Phytoplanktonphysiologie auf die globale Biogeochemie und das Klima der Ozeane, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg1725