Wie Kieselalgen (die „Juwelen“ des Ozeans) Aufschluss über das vergangene und zukünftige Klima geben
Kieselalgen sind die vielfältigste und am häufigsten vorkommende Gruppe mikroskopisch kleiner Pflanzen, die als Phytoplankton bezeichnet werden. Laut Chris Bowler(öffnet in neuem Fenster) vom Forschungsinstitut IBENS(öffnet in neuem Fenster) sind Kieselalgen trotz ihrer winzigen Größe für ein Fünftel der weltweiten Photosynthese verantwortlich – das Äquivalent zum gesamten ländlichen tropischen Regenwald! Ihr auffälligstes Merkmal ist eine Zellwand aus Glas (Kieselsäure) und eine außergewöhnliche Vielfalt an Formen und Größen, die an Juwelen erinnern. Da die verschiedenen Arten in besonderer Weise an bestimmte Umweltbedingungen angepasst sind, verraten sie viel über die Anpassung an den Klimawandel. „Wir wussten zwar, wie wichtig sie für die Ökosysteme der Ozeane sind, aber uns fehlte ein angemessener Überblick über ihre globale Vielfalt und Häufigkeit im Vergleich zu anderen Phytoplanktongruppen“, erklärt Chris Bowler, Koordinator des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten DIATOMIC-Projekts. Um einen entsprechenden Überblick zu gewinnen, nutzte Bowler den Tara-Ocean-Datensatz(öffnet in neuem Fenster), der auf einer vierjährigen globalen Beprobungskampagne basiert, an deren Koordinierung er mitwirkte. „Dieser Datensatz ist zum Goldstandard für die Meeresgenomik geworden. Die Ressource, die Tausende von wissenschaftlichen Veröffentlichungen ermöglicht hat, ist das erste Hilfsmittel seiner Art für die wissenschaftliche Erforschung der Verbreitung und evolutionären Anpassungen von Plankton“, so Bowler.
Methoden zur Extraktion alter Meeressediment-DNS entwickeln
Tara Ocean hat eine Datenbank mit 40 000 Planktonarten entwickelt, die von der globalen Meeresoberfläche bis zu einer Tiefe von 1 000 Metern beprobt wurden, und auf die standardisierte Analysemethoden, einschließlich DNS-Sequenzierung und Mikroskopie, angewendet werden können. DIATOMIC sollte eine Bestandsaufnahme der Kieselalgenvielfalt und -häufigkeit im heutigen Ozean entwickeln und für die Erforschung einstiger Veränderungen in Kieselalgengemeinschaften als Reaktion auf Umweltveränderungen, wie beispielsweise die letzte Eiszeit, verwenden. „Wir versuchen, die Evolution auf frischer Tat zu ertappen“, sagt Bowler. Das Projekt konzentrierte sich auf die Gattung Chaetoceros, die am häufigsten vorkommende und kosmopolitischste Kieselalgengattung. Da manche Arten langlebige ruhende Sporen bilden, die aus Meeressedimenten für die DNS-Extraktion gewonnen werden können, stehen sie repräsentativ für alte Populationen. Bewährte Paläoindikatoren – im Zusammenhang mit Veränderungen von Temperatur, Saisonalität, Eisbedeckung und Meeresproduktivität (Photosynthese) – wurden mit Veränderungen wie Populationsverschiebungen und wichtigen Genmutationen korreliert. Die Arktis und die Antarktis waren aufgrund ihrer drastischen Klimaänderungen im Laufe der Zeit von besonderem Interesse. Analysen von Sedimentkernen der antarktischen Halbinsel für einen Zeitraum von 10 000 Jahren offenbarten große Veränderungen hinsichtlich Temperatur, Eisbedeckung und Saisonalität sowie gut erhaltene Kieselalgen-Mikrofossilien. Die Extraktion alter DNS ermöglichte den Abgleich morphologischer Daten mit genetischen Daten, um das Auftreten von Populationsverschiebungen als Reaktion auf Umweltänderungen zu belegen. Laut Bowler hätten genetische Informationen zudem Veränderungen in den Genen, die Proteine für thermische Anpassungen kodierten, sowie die Selektion bestimmter vorteilhafter Mutationen gezeigt. Ein anderer Sedimentkern aus der Labradorsee, der 50 000 Jahre zurückdatiert, bewies genetische Veränderungen während des Letzteiszeitlichen Maximums(öffnet in neuem Fenster) und sogar noch früher während Heinrich-Ereignissen(öffnet in neuem Fenster), als riesige Eisberge in den Nordatlantik stürzten.
Eine Weltrekord-Analyse der Klimaveränderungen
Da der Ozean eine zentrale Rolle für das Klimasystem der Erde spielt, ist die Forschung auf Erkenntnisse über die wahrscheinlichen Auswirkungen des Klimawandels auf die Meeresökosysteme und ihre planetarischen Funktionen angewiesen. Die Techniken von DIATOMIC für die Analyse alter DNS, um Veränderungen während vergangener Störungen zu identifizieren, liefern wertvolle Hinweise. „Obwohl wir hauptsächlich die letzten 50 000 Jahre, also einen relativ jungen Zeitraum, abdecken, können wir diese Auswirkungen besser quantifizieren, da unsere Arbeit auch in die Zeit zurückreicht, bevor menschliche Aktivitäten die Funktionsweise des Planeten wesentlich beeinflusst haben“, erklärt Bowler. Das Team konnte erhebliche Herausforderungen bei der Gewinnung von 2 Millionen Jahre alter DNS aus Kieselalgen und dem weiteren Ökosystem – der aktuelle Rekord – erfolgreich überwinden und verfeinert nun die Techniken, um weitere DNS aus Meeressedimentkernen von verschiedenen Ozeanregionen besser analysieren zu können.