Von Wissenschaftlern aus Plymouth und Leicester untersuchte nächtliche Strategien von Mikroalgen
Wie halten planktonische Mikroalgen ihren Stoffwechsel während der Nacht oder bei starker Bewölkung aufrecht?
Planktonische Mikroalgen spielen eine Schlüsselrolle bei der globalen Sauerstoffproduktion und der Umwandlung von Kohlendioxid in organische Substanzen durch Photosynthese. Diese winzigen, schwimmenden Algen wachsen in offenen Gewässern und können nur tagsüber Photosynthese betreiben, müssen jedoch auch bei starker Bewölkung und sogar während der Nacht ihren Stoffwechsel aufrechterhalten.
Neue Forschungsergebnisse des Plymouth Marine Laboratory (PML) und der University of Leicester haben gezeigt, wie die Physiologie von Mikroalgen dazu beiträgt, das Wachstum unter dem Tag-Nacht- und Hell-Dunkel-Zyklus auszugleichen.
Die Annahme entspricht nicht der Realität.
Computermodelle zum Verhalten von Mikroalgen gehen in der Regel davon aus, dass die Aufnahme von Ressourcen und aktives Wachstum nur während der Tagesstunden stattfinden. In Wirklichkeit passen Algen ihre Aufnahme jedoch je nach Verfügbarkeit und Bedarf an, der je nach Nährstoffart und Umweltbedingungen variiert. Zur Kohlenstofffixierung betreiben Mikroalgen häufig eine „Überphotosynthese“, um Schwankungen in der Verfügbarkeit von Photosynthese-Produkten während der täglichen Lichtveränderungen auszugleichen.
Und Experimente zeigen, dass Mikroalgen bei kürzeren Tageslängen schneller als erwartet wachsen und so das begrenzte Tageslicht kompensieren. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Mikroalgen während der Tageslichtstunden Kohlenstoff in einer Menge binden müssen, die über ihrem täglichen Durchschnittsbedarf liegt, und den überschüssigen Kohlenstoff tagsüber in einen „Zwischenpool” von Metaboliten leiten, der dann die zentralen Wachstumsprozesse während des gesamten 24-Stunden-Zyklus antreibt.
Allerdings muss es etwas innerhalb der Zelle geben, das die Geschwindigkeit der Ressourcenverarbeitung begrenzt, und Wissenschaftler glauben, dass dies mit der DNA-Replikation und anderen Ereignissen im Zellzyklus zusammenhängen könnte.
Modell vs. Experiment
Um dies zu untersuchen, entwickelten Professor Kevin Flynn und Dr. Andrew Yu Morozov eine Simulation, die Rückkopplungsschleifen enthält, um die Regulierung der Aufnahme und des Wachstums durch echte Algen nachzuahmen, und zeigten, wie diese Faktoren unter verschiedenen Tag-Nacht-Zyklen interagieren.
Das Modell umfasste einen Metabolitenpool, der den von den Algen aufgenommenen Kohlenstoff in einen Zwischenmetabolitenpool zur vorübergehenden Speicherung von Kohlenstoff aus der Photosynthese und einen Kernstrukturpool zum Aufbau der Hauptbestandteile der Zelle aufteilt.
Es unterscheidet sich von typischen Simulationen, da es die Ergebnisse von Experimenten mit realen Organismen beschreiben kann; es zeigt, dass das Verhalten von Mikroalgen von der maximal möglichen Wachstumsrate des Organismus, der Größe des Zwischenstoffwechselpools und der Länge der täglichen Lichtdauer abhängt.
Unter Bedingungen mit kürzeren Tageslängen weisen schneller wachsende Algen eine erhöhte Photosyntheseaktivität auf und benötigen größere Speicherpools, um ihr Wachstum aufrechtzuerhalten. Arten wie Kieselalgen könnten einen Vorteil haben, da sie von Natur aus über mehr Speicherplatz in ihren Zellen verfügen, aber dieser Vorteil könnte durch den Aufwand für den Aufbau und die Aufrechterhaltung von Kohlenstoffspeichermechanismen sowie durch das Potenzial für Metabolitenleckagen, die Raubtiere anziehen könnten, aufgehoben werden.
Diese Kompromisse könnten die Artenvielfalt erklären: warum manche Arten in bestimmten Breitengraden oder Jahreszeiten besser gedeihen und warum klimabedingte Verschiebungen im Lebensraum der Arten, die sich auf die Tageslänge und die Lichtverfügbarkeit auswirken, dazu beitragen könnten, welche Planktonalgen in verschiedenen Regionen dominieren.
Professor Kevin Flynn sagt: „Indem wir sowohl den Metabolitenpool als auch die Kernbiomasse berücksichtigen, können wir uns ein besseres Bild davon machen, wie Plankton seine Ressourcen über den Tageszyklus hinweg – also den Tag-Nacht-Zyklus – tatsächlich verwaltet. Dieser Fortschritt in der Modellierung hilft uns, nicht nur ihr Wachstum besser zu verstehen, sondern auch ihren Wettbewerbsvorteil in verschiedenen Umgebungen – was für die Vorhersage, wie die Primärproduktion die Nahrungsnetze und biogeochemischen Prozesse auf dem größten Teil unseres Planeten unterstützt, von entscheidender Bedeutung ist.“
Quellenhinweis:
Resource acquisition in diel cycles and the cost of growing quickly, PLOS Computational Biology, 2025. Flynn, K, J. & Yu Morozov, A.