Die chemische Umgebung von Meeresalgen Phytoplankton manipuliert Diffusion nach dem Zwiebelprinzip

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Mikroalgen betreiben die Hälfte der globalen Photosynthese und bergen so manches Geheimnis. So zeigt eine aktuelle Studie, dass Mikroalgen ihre chemische Umgebung mithilfe von Schleimschichten kontrollieren. Statt einfacher Diffusion liegen Signalmoleküle in stark unterschiedlichen Konzentrationen in diesen Schichten um die Algen vor.

Sie sind zwar klein, doch Mikroalgen betreiben rund die Hälfte der weltweit stattfindenden Photosynthese. In dieser Hinsicht halten sie locker mit der Gesamtheit aller Landpflanzen Schritt. Zudem bilden Mikroalgen – so genanntes Phytoplankton – die Basis der meisten Nahrungsnetze in den Weltmeeren.

Dabei gibt jede einzelne photosynthetisch aktive Zelle eine Vielzahl organischer Substanzen ab, die sich im Meerwasser allmählich von der Zelle wegbewegen. Rund um jede Mikroalge entsteht so eine kleine Wolke aus verschiedenen Stoffen. Forschende bezeichnen diese Molekül-Wolke auch als die Phycosphäre. Sie ist der Ort, an dem Mikroalgen und Bakterien bevorzugt miteinander interagieren. Diese Wechselwirkungen prägen den Kohlenstoffkreislauf in den Ozeanen.

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Neue Einblicke in chemische Umgebung von Phytoplankton

Die Phycosphäre enthält chemische Signale, die von einer Vielzahl von Bakterien wahrgenommen werden können. Diese Bakterien folgen den Stoffen, um sich auf die Mikroalgen zuzubewegen, wo sie kohlenstoffhaltige organische Stoffe mit den Mikroalgen austauschen. „Die Phycosphäre ist einer der wichtigsten Marktplätze für organischen Kohlenstoff in den Meeren“, sagt Roman Stocker, Professor am Institut für Umweltingenieurwissenschaften der ETH Zürich.

Bisher ging die Forschung davon aus, dass dieser Marktplatz den Gesetzen der einfachen Diffusion folgt und dass sich alle Substanzen nach demselben Muster verteilen: Demnach sind sie in unmittelbarer Umgebung der Mikroalge in höheren Konzentrationen zu finden, und mit zunehmendem Abstand von der photosynthetischen Zelle nehmen diese Konzentrationen allmählich ab.

Nun hat das Team um Stocker mithilfe der Raman-Mikrospektroskopie erstmals die Konzentrationen einer solchen Substanz – genannt Fucoxanthin – in der unmittelbaren Umgebung von einzelnen, lebenden Mikroalgenzellen aufgezeichnet und so die chemische Landschaft um das Phytoplankton genau vermessen.

Mikroalgen und das Zwiebelprinzip

Zu ihrer Überraschung stellten die Wissenschaftler fest, dass die Konzentration an Fucoxanthin in der Nähe der Phytoplanktonzelle viel stärker ansteigt als erwartet. Dies deutet darauf hin, dass die Phycosphäre tatsächlich aus mehreren Schichten besteht. Sie sind wie Zwiebelschalen in immer größeren kugelförmigen Hüllen um die Mikroalge in der Mitte gewickelt. Dabei bestimmen die chemischen Eigenschaften der abgegebenen Stoffe, wie weit sich die einzelnen Schichten ausdehnen.

Die Forschenden kamen zu dem Schluss, dass es deutliche Unterschiede zwischen den Substanzen gibt: Nur wasserlösliche Stoffe wie Zucker oder Aminosäuren verhalten sich so, wie es man aufgrund der einfachen Diffusion erwarten würde. Ihre Konzentration nimmt allmählich ab, je größer der Abstand zu den Mikroalgen wird.

Anders ist die Situation für wasserabweisende Stoffe wie Fucoxanthin, das eines der wichtigsten Photosynthese-Pigmente in vielen Mikroalgen ist. Diese Substanz bleibt in der Nähe der Mikroalge stark konzentriert und ihre Konzentration nimmt rund zehn Mikrometer von der Zelloberfläche entfernt sehr stark ab. Wie ist das möglich? Zachary Landry und Riccardo Foffi, die beiden Erstautoren der Studie, stellten fest, dass eine dünne Schicht aus schleimartigen Stoffen rund um die Mikroalge dafür verantwortlich ist.

Schleim mit doppelter Funktion

Eine Art Schleim umhüllt die Mikroalge, der gemäß den Forschenden eine doppelte Funktion erfüllt: „Einerseits hilft er wasserabweisenden Stoffen, sich im Wasser zu verteilen“, sagt Foffi. Andererseits halte der Schleim die Moleküle zurück – und hindere sie daran, sich von der Zelle weg zu bewegen, was zu den deutlich höheren Konzentrationen in der Nähe der Zelloberfläche führe.

„Dadurch entstehen viel stärkere chemische Signale“, fügt Landry hinzu. „Sie machen es den Bakterien einfacher, die winzigen Mikroalgenzellen im Ozean zu finden.“ Das verändert das bisherige Bild der Phycosphäre grundlegend. Den Forschenden zufolge haben ihre Ergebnisse wichtige Auswirkungen auf Modelle der Wechselwirkungen zwischen Phytoplankton und Bakterien. Zudem zeigen sie, dass gute experimentelle Arbeiten auch in einer zunehmend rechnergestützten Welt weiterhin wichtig bleiben.

Die Studie zeigt, dass die unmittelbare Umgebung von Mikroalgen viel komplexer aufgebaut ist als bisher angenommen. Diese neuen Erkenntnisse könnten helfen, die Wechselwirkungen zwischen Mikroalgen und Bakterien besser zu verstehen – und damit einen wichtigen Teil des Kohlenstoffkreislaufs der Meere.

Originalpublikation: Landry ZC, Foffi R, Anelli V, Arosio P, Gil-Garcia M, Henshaw RJ, Müller O, Paccagnan G, Schneider TN, Schubert CJ, Słomkab J, Lee KS, Zambelli T, Zweifel S, and Stocker R. Raman imaging of the phycosphere reveals sharp gradients of organic matter exuded by single phytoplankton cells, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026); DOI: 10.1073/pnas.2535317123

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