Sie liebt das Extreme: Die Kieselalge

Algenforscher der Sektion Phykologie haben die Kieselalge (Fragilariopsis cylindrus) zur Alge des Jahres gewählt. "Sie fasziniert uns, weil sie im Eis der Polarmeere, einem der extremsten Lebensräume der Erde, überlebt und sich dort sogar vermehrt", begründet Prof. Dr. Peter Kroth von der Universität Konstanz die Wahl. Peter Kroth ist Sprecher der Sektion Phykologie der Deutschen Botanischen Gesellschaft (DBG), in der die Algenforscher organisiert sind.

	Wenn Seegang im Südpolarmeer die Eisschollen in Stücke bricht und umkippt, kommt die braune Unterseite zum Vorschein. Dort beginnen sich im Frühjahr Kieselalgen wie Fragilariopsis stark zu vermehren und färben das Meereis braun, wie im abgebildeten etwa zwei Meter langen Eisstück.
Ein Leben im Eis - die Kieselalge

Fragilariopsis cylindrus lebt im Eis des Nord- und Südpols und treibt manchmal auch im offenen Meerwasser. Sie besiedelt die kleinen Kanäle, die entstehen, wenn das Meerwasser gefriert.
In diesen Eiskanälen herrschen Salzgehalte bis zur vierfachen Meerwasserkonzentration, die das Wasser auf bis zu minus 30 Grad Celsius abkühlen. Und es ist mehr als zwei Monate absolut dunkel. Um als Alge in dieser Salzlake zu überleben, müssen sich die Zellen vor dem Einfrieren schützen, Salz tolerieren, und eine Zeit überstehen, in der sie keine Energie gewinnen können. "Wenn das Licht im Polarwinter fehlt, ist keine Photosynthese mehr möglich", erklärt Kroth. "Wir Biologen fragen uns, mit welchen Mitteln und Methoden sie sich an diesen lebensfeindlichen Ort angepasst haben.

Eisalge überlebt bei Kerzenschein und Dauerfrost in einer Salzlake

Algenforscher auf der ganzen Welt arbeiten dazu auch mit dem vor kurzem veröffentlichten Genom dieser Alge. Erste Unterschiede in der Erbsubstanz haben sie schon entdeckt: "Die Basen Adenin und Thymin kommen viel häufiger vor, als in zwei verwandten Algen", freut sich Dr. Thomas Mock, der die internationale Forschergruppe leitete, die drei Jahre die Erbsubstanz am Joint Genome Center (JGI) in Walnut Creek in Kalifornien sequenzierte. "Welche Bedeutung das für Fragilariopsis hat, untersuchen wir gegenwärtig", sagt Mock. Ihn fasziniere vor allem, dass die Eisalge selbst bei minus 15 Grad noch aktiv bleibt und geringste Lichtintensitäten nutzt, quasi mit Kerzenlicht überlebe, mit dem Landpflanzen keine Energie gewinnen könnten.

Die Kieselalge Fragilariopsis cylindrus lebt in kleinen Kanälen, die entstehen, wenn Meerwasser gefriert. An diesem extremen Ort herrschen Temperaturen bis minus 30 Grad Celsius. Salzgehalte bis zur vierfachen Meerwasserkonzentration und im Winter fehlt Licht. Um in dieser Salzlake zu überleben, mussten die Kieselalgen Frostschutz, Salztoleranz und eine effiziente Photosynthese erfinden. Genau das macht sie für Forscher so interessant.

Eisalge überlebt bei extremsten Bedingungen

Fragilariopsis gestaltet ihren Lebensraum

Mock untersuchr gerade in einem internationalen Team 15 Gene einer neuen Klasse von Eiweißen, die die Algen vor dem normalerweise tödlichen Einfrieren bewahren. "Einige dieser Gefrierschutzproteine setzten zwar den Gefrierpunkt des Meerwassers geringfügig herab. Bedeutender ist aber die Fähigkeit einiger Proteine, Eiskristalle so zu verformen, dass sie der Alge nichts mehr anhaben können. Fragilariopsis scheint also ihren Lebensraum aktiv zu ihren Gunsten zu verändern", schwärmt der deutsche Forscher Mock, der an der University of East Anglia im britischen Norwich forscht und lehrt.

Im Eismeer erfüllt Fragilariopsis zwei wichtige Funktionen. Sie wächst an der Unterseite des Eises und wird dort vom Krill abgeknabbert, kleinen Krebsen und deren Jungtieren. Krill wiederum ist die Nahrung für Fische und Wale. Die Eisalgen haben also eine Schlüsselposition an der Basis des Nährstoffkreislaufes im Ozean inne.
Neben der Produktion von Biomasse setzen die Algen auch Sauerstoff frei, ein Prozess, den die Biologen Primärproduktion nennen. Gemeinsam mit anderen Kieselalgen liefern sie den Sauerstoff für jeden fünften Atemzug, den wir machen. Kieselalgen tragen damit ebensoviel zur globalen Primärproduktion bei wie alle Regenwälder der Erde zusammen. Wenn im Zuge der Klimaerwärmung das Eis schmilzt, werden auch die großen Populationen von Kieselalgen betroffen sein.

	Neun Fragilariopsis cylindrus Algen liegen nebeneinander. Jede der Zellen enthält zwei Chloroplasten, in denen sie durch Photosynthese Energie gewinnen. Das Lichtsammelpigment Fucoxanthin färbt die Chloroplasten braun.
Lichtmikroskopische Aufnahme

Modellorganismus der Polarregion

Fragilariopsis cylindrus ist das erste höhere Lebewesen der Polargebiete, dessen Erbsubstanz inzwischen sequenziert ist und die Mock nun mit mehr als zwei Dutzend Forschern aus der ganzen Welt weiter untersucht. Die Wissenschaftler haben deren Sequenzierung vorangetrieben, weil die Alge das Zeug zum Modellorganismus hat: Sie ist eine der häufigsten Kieselalgen in den Ökosystemen beider Pole. Gleichzeitig lässt sie sich gut im Labor kultivieren, um herauszufinden, wie die Erbinformation physiologische Fähigkeiten beeinflusst. So können auch erhöhte Kohlendioxidkonzentrationen und die damit einhergehende Versauerung der Meere im Labor simuliert werden.

Wie alle Kieselalgen sind Fragilariopsis quasi unsterblich, da sie sich vorwiegend ungeschlechtlich vermehren, also immer wieder teilen können. Im polaren Winter dauert ein Zellteilungszyklus wegen der herabgesetzten Stoffwechselaktivität und dem Lichtmangel ein bis zwei Monate. Unter optimalen Laborbedingungen teilen sich Fragilariopsis dagegen alle zwei Tage, berichtet Mock.

In der Aufsicht auf ein Schalenpräparat zweier Fragilariopsis cylindrus erscheint das charakteristische Schalenmuster, das die Forscher zur Artbestimmung der Algen heranziehen. Für den Aufbau der Schalen aus Siliziumdioxid interessieren sich auch Physiker und Biotechnologen.
	Das charakteristische Schalenmuster von Fragilariopsis

Gespannt auf neue Genomdaten

Um die Anpassungen der Alge Fragilariopsis cylindrus an das Leben im Eis zu verstehen, sequenzieren Mock und seine Kollegen nun auch die Erbsubstanz der verwandten Fragilariopsis kerguelensis am GenePool Genomzentrum in Schottlands Edinburgh.
Das Ergebnis erwarten auch Biotechnologen und Physiker mit Spannung, die sich für den Aufbau der Silikat-Schalen interessieren. Mock und sein Team interessiert sich für die nahe verwandte Alge, weil sie ebenfalls im Polargebiet lebt, aber ausschließlich im offenen, etwas wärmeren Wasser treibt. Vom Vergleich der Genome beider Arten erhofft sich der Algenforscher weitere Antworten auf die Anpassungsstrategien der Alge Fragilariopsis cylindrus an das Leben im Eismeer. "Das Unsichtbare sichtbar zu machen", reizt Mock. "Dass so ein einfacher Organismus derart schön und so komplex ist, begeistert mich".

	In der elektronenmikroskopischen Seitenansicht misst die Schale einer Fragilariopsis cylindrus etwa 15 um. Drei Algen aneinandergereiht passen also in den Durchmesser eines Haares.
Elektronenmikroskopische Seitenansicht

Vielen Dank an Frau Dr. Johanna Knappe von der Universität Marburg für die Erlaubnis den Pressetext sowie die Bilder zu zeigen.

Text von: Dr. Esther Schwarz-Weig


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