Phytoplankton und das Zwiebelschalen-Prinzip: Neue Erkenntnisse zur chemischen Umgebung
Mikroalgen, auch bekannt als Phytoplankton, geben organische Verbindungen ab, die von Bakterien aufgenommen und genutzt werden können. Während bisherige Modelle davon ausgingen, dass sich diese Substanzen im Wasser gleichmäßig verteilen, haben Forschende der ETH Zürich erstmals die tatsächlichen Konzentrationen einer solchen Verbindung gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Stoffe die Mikroalgen in mehreren konzentrischen Schichten umgeben, ähnlich den Schalen einer Zwiebel.
Bedeutung von Mikroalgen im Ökosystem
Obwohl sie mikroskopisch klein sind, spielen Mikroalgen eine zentrale Rolle in globalen Ökosystemen. Sie sind für etwa die Hälfte der weltweiten Photosynthese verantwortlich und konkurrieren damit mit allen Landpflanzen zusammen. Zudem bilden Mikroalgen die Grundlage der meisten marinen Nahrungsnetze.
Jede einzelne photosynthetisch aktive Zelle gibt eine Vielzahl organischer Substanzen ab, die sich im umgebenden Meerwasser allmählich verteilen. Rund um jede Mikroalge entsteht dadurch eine kleine Wolke verschiedener Moleküle, die als Phycosphäre bezeichnet wird. Diese Zone ist ein wichtiger Ort der Interaktion zwischen Mikroalgen und Bakterien und beeinflusst maßgeblich den Kohlenstoffkreislauf in den Ozeanen.
Analyse der chemischen Verteilung in der Phycosphäre
Die Phycosphäre enthält chemische Signale, die von Bakterien wahrgenommen werden und diese zur Mikroalge führen, um dort organischen Kohlenstoff auszutauschen. Bisher basierten Modelle auf der Annahme, dass sich alle Substanzen durch einfache Diffusion gleichmäßig vom Ursprung weg verteilen, mit abnehmender Konzentration bei wachsendem Abstand zur Zelle.
Mit Hilfe der Raman-Mikrospektroskopie konnte das Forschungsteam um Professor Roman Stocker erstmals die Konzentration des Photosynthesepigments Fucoxanthin in unmittelbarer Nähe einzelner lebender Mikroalgenzellen präzise messen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
Mehrschichtige Struktur der Phycosphäre
Die Messungen zeigten, dass die Konzentration von Fucoxanthin nahe der Zelle deutlich höher ist als erwartet. Dies weist darauf hin, dass die Phycosphäre aus mehreren konzentrischen Schichten besteht, die sich wie Zwiebelschalen um die Mikroalge anordnen. Die Ausdehnung der einzelnen Schichten hängt von den chemischen Eigenschaften der freigesetzten Substanzen ab.
Unterschiede bestehen insbesondere zwischen wasserlöslichen Stoffen wie Zucker oder Aminosäuren, deren Konzentration mit zunehmendem Abstand allmählich abnimmt, und wasserabweisenden Verbindungen wie Fucoxanthin. Letztere bleiben in der Nähe der Zelle stark konzentriert und zeigen einen steilen Konzentrationsabfall bereits wenige Mikrometer von der Zelloberfläche entfernt.
Funktion eines schleimartigen Mantels
Die Forschenden identifizierten eine dünne Schleimschicht um die Mikroalge, die eine doppelte Funktion erfüllt: Sie unterstützt die Verteilung wasserabweisender Stoffe im Wasser und verhindert gleichzeitig deren schnelle Diffusion von der Zelle weg. Dadurch entstehen lokal hohe Konzentrationen, die als starke chemische Signale für Bakterien dienen.
Diese Signale erleichtern es den Bakterien, die Mikroalgen im Ozean gezielt zu finden. Die Erkenntnisse verändern das bisherige Verständnis der Phycosphäre grundlegend und haben wichtige Konsequenzen für Modelle der Interaktion zwischen Phytoplankton und Bakterien.
Auswirkungen und Bedeutung der Studie
Die Untersuchung zeigt, dass die unmittelbare Umgebung von Mikroalgen komplexer strukturiert ist als bislang angenommen. Diese neuen Einsichten tragen dazu bei, die Wechselwirkungen zwischen Mikroalgen und Bakterien besser zu verstehen und damit einen zentralen Bestandteil des marinen Kohlenstoffkreislaufs genauer zu erfassen.
Wissenschaftliche Ansprechpartner
- Riccardo Foffi, ETH Zürich, rfoffi@ethz.ch
- Prof. Dr. Roman Stocker, ETH Zürich, romanstocker@ethz.ch, +41 44 633 70 86
Originalpublikation
Landry ZC, Foffi R, Anelli V, et al. 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
