Wissenschaftler entdecken extremes Leben im arktischen Eis
Forscher berichten erstmals, dass Arktisalgen sich bei -15 °C bewegen können (die niedrigste jemals gemessene Temperatur für Bewegungen in komplexen lebenden Zellen). Erfahren Sie hier mehr darüber!
Wenn wir einen Eiskern aus den Außenbereichen der arktischen Eiskappe entnehmen, können wir eine dünne Schmutzlinie erkennen, wie in der Abbildung oben zu sehen ist. Dabei handelt es sich um Diatomeen, einzellige Algen mit einer Außenwand aus Glas. Ihre Anwesenheit im Eis ist nichts Neues, aber da sie eingeschlossen und inaktiv zu sein schienen, haben sich nur wenige Forscher mit ihnen beschäftigt.
Neue Forschungsergebnisse aus Stanford haben jedoch gezeigt, dass arktische Kieselalgen weder unbeweglich sind noch vergraben werden. Sie überleben auch nicht nur, sondern gleiten direkt in die Rekordbücher.
„Das ist keine Kryobiologie aus einem Science-Fiction-Film der 80er Jahre. Die Kieselalgen sind so aktiv, wie man es sich nur vorstellen kann, selbst bei Temperaturen von bis zu -15 °C, was unglaublich überraschend ist.“
— Manu Prakash, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen an den Fakultäten für Ingenieurwesen und Medizin und Autor der Studie
Diese Temperatur ist die niedrigste, die jemals für die Bewegung einer eukaryotischen Zelle gemessen wurde, einer komplexen Zelle, die in Pflanzen, Tieren, Pilzen und anderen Lebewesen vorkommt und sich durch einen von einer Membran umschlossenen Zellkern auszeichnet. „Man kann die Kieselalgen gleiten sehen, als würden sie auf Eis laufen“, sagte Qing Zhang, Hauptautor und Postdoktorand an der Stanford University, der die Proben während einer Arktis-Forschungsexpedition gesammelt hatte.
Sie und ihre Kollegen zeigten nicht nur, dass Bewegung bei diesen extrem niedrigen Temperaturen möglich ist, sondern auch, dass dieses Gleiten oder „Skaten” von einer Kombination aus Schleim und molekularen Motoren abhängt.
Arktische Kieselalgen zeigen fortgeschrittene Anpassung
Die in dieser Studie untersuchten Kieselalgen stammen aus einer 45-tägigen Expedition in die Arktis, in die Tschuktschensee, an Bord des Forschungsschiffs Sikuliaq, das der National Science Foundation gehört und von der University of Alaska Fairbanks betrieben wird.
Forscher des Prakash Lab und des Labors von Kevin Arrigo, Professor für Erdsystemwissenschaften an der Stanford Doerr School of Sustainability, sammelten im Sommer 2023 Eisbohrkerne an 12 Stationen. Mithilfe einer Reihe von Mikroskopen an Bord des Schiffes, die das Prakash Lab seit Jahren entwickelt, gelang es dem Team, Bilder aus dem Inneren des Eises aufzunehmen und das geheime Leben dieser unglaublichen arktischen Kieselalgen zu dokumentieren.
Zurück im Labor extrahierte das Team Diatomeen aus den Eiskernen und stellte ihre Umgebung in einer Petrischale nach, die eine dünne Schicht gefrorenes Süßwasser und eine Schicht sehr kaltes Salzwasser enthielt. Wenn sich in der Arktis Eis bildet, wird das Salz ausgestoßen, sodass Süßwassereis mit winzigen mikrofluidischen Kanälen zurückbleibt. Daher schuf das Labor auch Kanäle in seinem Eis.
Als sie die Temperaturen unter null Grad senkten, glitten die Diatomeen durch haardünne Kanäle. Andere Experimente, bei denen mit fluoreszierenden Kügelchen versetzte Gele verwendet wurden, verfolgten ihre Bewegungen, als wären es Fußspuren im Sand.
Das Überraschende daran ist, dass sich die Kieselalgen bewegen, ohne sich zu biegen, zusammenzupressen oder irgendwelche Fortsätze zu verwenden. Stattdessen vollführen sie die Kunst, die viele Kieselalgen beherrschen, nämlich das Gleiten.
Der Schleimseilmechanismus basiert auf Aktin und Myosin – dem gleichen biologischen System, das auch die Muskelbewegungen des Menschen antreibt. Wie dieser Mechanismus unter Minustemperaturen weiter funktioniert, ist nun eine zentrale Forschungsfrage, mit der sich das Labor beschäftigt. Als das Team die arktischen Kieselalgen mit ihren Verwandten aus gemäßigten Regionen verglich, die auf Glas gleiten, bewegten sich die polaren Arten viel schneller, was auf einen evolutionären Vorteil hindeutet.
Das Gesamtbild
Das Prakash Lab nutzte seine Zeit in der Arktis optimal und sammelte neben den Kieselalgen eine große Menge an Daten zu verschiedenen Projekten. Dazu gehörten auch Drohnenbilder, die unter dem Eis aufgenommen wurden und das Potenzial dieser Arbeit anschaulich zeigen.
Das Wissen um die Aktivität der Kieselalgen wirft weitergehende Fragen hinsichtlich der Anpassung an eine sich verändernde polare Umwelt auf. Könnten sie Ressourcen durch das arktische Nahrungsnetz transportieren und so alles von Fischen bis hin zu Eisbären ernähren? Könnten ihre Schleimspuren sogar neue Eisformationen hervorbringen, ähnlich wie Perlen sich um Sandkörner bilden?
Normalerweise, so Prakash, würde er sich nicht mit solchen neuen Ideen beschäftigen, aber diesmal stünde etwas anderes auf dem Spiel. „Viele meiner Kollegen sagen mir, dass es in den nächsten 25 bis 30 Jahren keine Arktis mehr geben wird. Wenn Ökosysteme verloren gehen, verlieren wir das Wissen über ganze Zweige unseres Lebensbaums“, sagte er und wies darauf hin, dass Budgetkürzungen bei der National Science Foundation voraussichtlich zu einer Reduzierung der Mittel für die Polarforschung um 70 % führen werden.
Quellenhinweis:
Qing Zhang, Hope T. Leng, Hongquan Li, Kevin R. Arrigo e Manu Prakash. Ice gliding diatoms establish record-low temperature limits for motility in a eukaryotic cell. Biophysics and Computational Biology (2025).