14.03.2011 Algen in der Dunkelheit - Überlebensstrategie entschlüsselt

Algen in der Dunkelheit - Überlebensstrategie entschlüsselt

Obwohl die Photosynthese betreibenden Winzlinge oft nur wenige Hundertstel Millimeter groß sind, kommen sie in so großer Anzahl in unseren Weltmeeren vor, dass sie für etwa 40% der marinen Primärproduktion, also dem Aufbau von Biomasse mittels Sonnenlicht und Kohlendioxid, verantwortlich sind. Oft bilden sie riesige schwimmende Algenblüten an der Meeresoberfläche oder bräunlich-grünliche Rasen auf dem Meeresboden. Diatomeen (Kieselalgen) können aber auch ohne Licht und Sauerstoff überleben, z.B. im Meeresboden.

Die Wissenschaftler Anja Kamp, Dirk de Beer, Jana L. Nitsch, Gaute Lavik und Peter Stief vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen haben verschiedene Diatomeen-Arten im Labor kultiviert, um zu erforschen, welche Stoffwechselwege den kleinen Algen das Überleben in der Dunkelheit ermöglichen. Die Forscher fanden heraus, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen dem Nitrat, das eine Diatomeen-Zelle speichert und deren Überlebensfähigkeit ohne Licht und Sauerstoff. Je mehr Nitrat die Zelle zur Verfügung hatte, desto länger konnte sie im Dunkeln überleben, also auch ohne die Möglichkeit selber Sauerstoff durch Photosynthese zu bilden. In Experimenten mit der kaffeebohnenförmigen Diatomee Amphora coffeaeformis konnten sie beweisen, dass die einzelligen Algen in der Dunkelheit mit Hilfe des gespeicherten Nitrats atmen. Innerhalb nur eines Tages verbrauchen sie dabei den größten Teil des gespeicherten Nitrats und wandeln es zu Ammonium um, das von der Zelle ausgeschieden wird.

Abbildung 1: Frei im Wasser lebende (pelagische) und auf dem Meeresboden lebende Kieselalgen (benthische Diatomeen), die in der Studie von Anja Kamp und Kollegen untersucht worden sind. Fotos: Anja Kamp

Das wichtigste Ergebnis der Bremer Max-Planck-Forscher ist, dass die Zellen das Nitrat im Dunkeln nur zur Atmung und nicht, wie im Sonnenlicht, zum Aufbau von Biomasse verwenden. Anja Kamp sagt: "Wir schließen aus dem schnellen Verbrauch von Nitrat und dem Ausbleiben des Zellwachstums, dass die Nitratatmung bei Diatomeen ein Prozess ist, der lediglich ein Ruhestadium einleitet und nicht über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wird."

Bei Bakterien ist die Nitratatmung nichts Ungewöhnliches, denn viele der am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie untersuchten Bakterien sind in der Lage, mit Nitrat, Sulfat oder Eisen zu atmen. Überraschend ist aber, dass Algen, also Organismen mit einem Zellkern, neben der Photosynthese auch Nitratatmung betreiben können. Die Ergebnisse sind jetzt in dem angesehenen interdisziplinären Journal Proceedings of the National Academy of Sciences publiziert worden.

Abbildung 2: Kieselalgen (Diatomeen) gewinnen ihre Energie im Sonnenlicht durch Photosynthese. Dabei wird auch Sauerstoff produziert, der tiefer in den Meeresboden eindringt als das Licht. Den Sauerstoff benötigen die Diatomeen, genau wie Tiere und Menschen, für ihre Zellatmung. Diatomeen können aber auch vergraben im Meeresboden überleben, wo weder Licht noch Sauerstoff zur Verfügung stehen. Hier atmen sie statt mit Sauerstoff mit Nitrat. Für Prokaryoten (also Organismen ohne Zellkern wie z.B. Bakterien) sind verschiedene Stoffwechselwege der Nitratatmung bekannt. Dass Eukaryoten (also Organismen mit Zellkern wie z.B. Diatomeen) sowohl Photosynthese betreiben als auch mit Nitrat atmen können, war hingegen bisher nicht bekannt. Der für Diatomeen nachgewiesene Stoffwechselweg der Nitratatmung heißt Dissimilatorische NitratReduktion zu Ammonium, oder kurz DNRA. Hier wird das Nitrat (NO₃^-) zunächst zu Nitrit (NO₂^-) und dann weiter zu Ammonium (NH₄⁺) reduziert. Schema: Anja Kamp

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Originalartikel (Download):
Kamp, A., de Beer, D., Nitsch, J.L., Lavik, G., and Stief, P. (2011) Diatoms respire nitrate to survive dark and anoxic conditions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 108 (14): 5649-5654.
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