Alte Theorie von Phytoplankton-Wachstum gekippt

22.07.2010 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pflanzliches Plankton im Interesse der Wissenschaft. (Quelle: © iStockphoto.com/ Konstantin Inozemtsev)
Pflanzliches Plankton im Interesse der Wissenschaft. (Quelle: © iStockphoto.com/ Konstantin Inozemtsev)

Die globale Bedeutung von Phytoplankton ist enorm: Es wird geschätzt, dass es für die Produktion von 70% bis 80% des Sauerstoffs in der Atmosphäre verantwortlich ist. Ein Forscherteam hat sich der Haupttheorie um das Phytoplankton angenommen und die Planktonökologie praktisch auf den Kopf gestellt.

Ohne die Weltmeere, die 70,8% der Erdoberfläche bedecken, wären alle anderen Ökosysteme nicht existent. Die Ozeane wirken über alle Erdteile hinweg und spielen im globalen Kohlenstoff-Kreislauf eine Hauptrolle: als riesige Wärmetanks, Kohlenstoffspeicher oder „Temperatur-Puffer“ im kontinentalen Temperaturgefälle. Gleichzeitig regulieren sie nicht nur das Klima, sondern erzeugen auch fast 75% des Sauerstoffs auf der Erde und sichern Trinkwasser.

Der unschätzbare Wert des Großökosystems Meer zeigt sich vor allem in seinen kleinsten Bewohnern, den Algen. Insgesamt 90% aller Algen der Ozeane kommen als Phytoplankton (pflanzliches Plankton) vor. Diese unzähligen Kleinstlebewesen stellen den größten Teil des auf der Erde verfügbaren Sauerstoffs her. Hierzu spalten sie im Meer enthaltene Mineralsalze und den Kohlenstoff bei Sonnenlicht auf in organische Stoffe und Sauerstoff. Diese Fähigkeit macht Phytoplankton einzigartig, denn keinem anderen Lebewesen ist dies möglich.

Die "alte Theorie"

Die 1953 entwickelte „critical depth hypothesis” („Hypothese der kritischen Tiefe“) zum Wachstum des Phytoplankton galt bis dato als widerspruchsfreier Eckpfeiler in der Planktonökologie. Sie besagt, dass es  im Frühjahr wegen der Verbesserung der Lichtverhältnisse (längere und hellere Tage) und der Erwärmung der Wasseroberflächenschicht zur Algenblüte kommt. Das wärmere Wasser liegt aufgrund seiner geringeren Dichte oberhalb des kälteren und dichteren Wassers. 

Es  erfolgt nahezu kein Austausch zwischen den Schichten aus kälterem und wärmerem Wasser. Dies impliziert, dass sich das Wachstum des Phytoplanktons auf die Meeresoberfläche beschränkt. Hier gibt es nun genug Licht und auch Nährstoffe, die durch Mischung mit dem Tiefenwasser im Winter an die Wasseroberfläche gelangt sind. Man spricht daher von der Frühjahrsblüte des Phytoplanktons.

Ein Forscherteam um Michael Behrenfeld, Professor der Botanik an der Oregon State University, hat nun eine Analyse in der Fachzeitschrift Ecology veröffentlicht, welche den über 50 Jahre geltenden Annahmen der „critical depth hypothesis” grundlegend widerspricht.

Eine neunjährige Analyse von Satellitendaten der Chlorophyll- und Kohlenstoffdaten zeigt, dass das Wachstum des pflanzlichen Phytoplanktons bereits in der Mitte der Wintermonate beginnt. Nach Behrenfeld ist der grundlegende Fehler der bisherigen Theorie die Annahme, dass die jahreszeitlichen Veränderungen in der Aktivität des Zooplanktons, speziell bezogen auf deren Geschwindigkeit bei Nahrungsaufnahme von Phytoplankton, bislang nicht adäquat genug betrachtet wurden.

Seiner Ansicht nach konzentrierte man sich bisher zu viel auf das Wachstum von Phytoplankton, jedoch zu wenig auf die Verlustraten, die vor allem auf den Verbrauch durch Zooplankton zurückzuführen sind. Wenn Zooplankton reichlich vorhanden und genug Nahrung verfügbar ist, dann nimmt es Phytoplankton nahezu so schnell auf, wie Phytoplankton wächst.

Ein neuer Ansatz dockt an "alte Erkenntnisse" an

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Kaltes und lebloses Wasser vermischt sich in den Herbst- und Wintermonaten mit der biologisch-reicheren Wasserdeckschicht.

Kaltes und lebloses Wasser vermischt sich in den Herbst- und Wintermonaten mit der biologisch-reicheren Wasserdeckschicht.

Bildquelle: © iStockphoto.com/ Felix Möckel

Behrenfeld´s neue Theorie, die „dilution-recoupling hypothesis“ („Rückkopplungshypothese durch Verdünnung“) setzt nun die Frühjahrsblüte mit den Vorgängen im Herbst und Winter in Verbindung. Sie erweitert die "alte Theorie" demnach um einige Punkte. Die Theorie geht davon aus, dass sich die biologisch-reichere Wasserdeckschicht mit kaltem und leblosem Wasser aus tieferen Schichten mischt, wenn Winterstürme häufiger und intensiver werden. Dieser Vorgang schwächt die Konzentration von Phytoplankton und Zooplankton,  wodurch es immer schwieriger für das Zooplankton wird, ausreichend Phytoplankton als Nahrung zu finden. Dadurch überleben insgesamt mehr Phytoplankton-Populationen. Dies führte zu einem Anstieg der  Phytoplankton-Konzentration bereits in dunklen und kalten Wintertagen.

Im Frühjahr, wenn die winterlichen Stürme abklingen, vermischen sich Phytoplankton und Zooplankton weniger stark. Das Zooplankton findet seine Beute leichter, da die Konzentration von Phytoplankton durch die geringeren Verteilungsvolumina steigt.  Auch wenn das Phytoplankton mehr Licht erhält und seine Wachstumsrate dadurch wieder ansteigt, wird es durch das „gefräßige“ Zooplankton weitestgehend in Schach gehalten.

Im Winter vermischen sich die Schichten, so dass die Konzentration von beiden Plankten abnimmt. Es wird weniger Pflanzenmasse gefressen, so dass diese sich beginnt zu vermehren. Im Frühjahr sinkt die Vermischung und das „Jagdrevier“ des Zooplanktons ist mit dem Lebensraum des Phytoplanktons identisch. Das Phytoplankton erhält mehr Licht und seine Wachstumsrate steigt dadurch wieder an. Dennoch wird es durch das „gefräßige“ Zooplankton weitestgehend in Schach gehalten.
Irgendwann im Hochsommer gehen dem Phytoplankton die Nährstoffe aus. Das jetzt reichlich vorhandene Zooplankton übersteigt überholt damit die Konzentration des Phytoplanktons. Dies hat einen Rückgang des pflanzlichen Planktons zur Folge.

Zusammengefasst zeigen die Satelliten-Daten, dass die physikalische Vermengung des Wassers und damit verbundene Konzentrationsschwankungen pro Volumeneinheit von Zoo- und Phytoplankton entscheidende Faktoren im Ökosystem Ozean darstellen. Neben der Vermehrung des Phytoplanktons im Sommer, durch eine gesteigerte physiologischen Aktivität der Algen, sind nun weitere Einflussgrößen im komplexen Ökosystem bekannt.

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