Wie winzige Phytoplankton lange Strecken im Ozean nach oben wandern

Es handelt sich um eine der größten Wanderungen auf der Erde: eine riesige Biomasse winziger Planktonorganismen, die aus der Tiefe des Meeres zur Oberfläche aufsteigen. Dennoch haben nicht alle dieser Organismen Gliedmaßen, um sich nach oben zu bewegen. Daher war es ein Rätsel, wie einige von ihnen eine so lange Reise bewältigen.

Jetzt hat ein Forscherteam gezeigt, dass eine Art von Phytoplankton eine clevere Lösung gefunden hat: indem sie sich auf das Sechsfache ihrer ursprünglichen Größe ausdehnt. Dieser Prozess verringert ihre Dichte und ermöglicht es ihnen, wie ein Heliumballon nach oben zu steigen, berichten der Bioingenieur Manu Prakash und seine Kollegen von der Stanford University am 17. Oktober in Current Biology.

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"Das ist einzigartig", sagt Andre Visser, ein Ozeanograf an der Technischen Universität Dänemark in Kongens Lyngby. "Sie haben tatsächlich einen Fall für eine neue Methode gemacht, bei der diese Zellen schwimmfähig bleiben oder in der Nähe der Oberfläche bleiben können."

Das Team sammelte Wasserproben etwa 160 Kilometer vor der Küste von Hawaii, um nach Pyrocystis noctiluca zu suchen und deren Verhalten zu beobachten. Diese 1 Millimeter großen einzelligen Phytoplanktonorganismen, die besser für ihre Biolumineszenz bekannt sind, machen eine einmalige Reise von etwa 125 Metern Tiefe auf etwa 50 Metern, wo es mehr von dem Sonnenlicht gibt, das sie zur Photosynthese benötigen. Solche Reisen für Phytoplankton können Tage dauern, im Gegensatz zu den winzigen Tieren oder Zooplankton, die normalerweise täglich die Reise antreten.

Im Labor verwendete das Team spezielle Mikroskope, die das Phytoplankton auf einem Art "hydrodynamischen Laufband" platzierten, um die Bewegung der Zelle nach oben durch die Wassersäule nachzustellen. "Dies ist ein bisschen wie eine Virtual-Reality-Maschine für einzelne Zellen", sagt Prakash.

P. noctiluca ist dichter als Meerwasser und sollte sinken. Aber am Anfang seines Lebenszyklus schwillt es an, was seine Dichte verringert und es nach oben durch die Wassersäule bewegen lässt, fand das Team heraus. Am Ende seines siebentägigen Lebenszyklus beginnt die Zelle dann, sich in zwei Tochterzellen zu teilen, während sie absinkt. Wenn die Teilung abgeschlossen ist, dehnen sich die beiden neugeborenen Zellen aus, indem sie sich mit Meerwasser füllen - sie schwellen in etwa 10 Minuten auf das Sechsfache ihrer ursprünglichen Größe an. Und so beginnt der Zyklus von vorne.

Die Forscher vermuten, dass die Zelle durch Aquaporin-Proteine im Zellinneren weniger dicht und schwimmfähiger wird, indem sie dichtes Salz aus dem einströmenden Meerwasser filtern. "Auf diese Weise kann viel weniger dichtes Material in die Zelle strömen, was es ermöglicht, dass die Zelle weniger dicht ist als das umgebende Meerwasser", sagt der Stanford-Bioingenieur Adam Larson.

Kalzium im Meerwasser könnte eine Rolle dabei spielen, diesen Prozess auszulösen und möglich zu machen, Experimente mit Meerwasser mit und ohne Kalzium deuten darauf hin.

Die Ausdehnung hilft nicht nur, dass das Phytoplankton aufsteigt. "Größer zu werden hat tatsächlich enorme Auswirkungen auf andere Teile ihres Lebens", sagt Visser. "Größere Zellen haben tendenziell ein geringeres Prädationsrisiko. Es gibt weniger Dinge, die sie fressen können." Es hilft auch bei der Nährstoffaufnahme und Photosynthese: Eine größere Oberfläche ermöglicht es der Zelle, mehr Sonnenlicht einzufangen.