Die Menge des wichtigen Sauerstoffproduzenten Prochlorococcus könnte in tropischen Ozeanen drastisch schrumpfen, was Kettenreaktionen in den Nahrungsnetzen auslösen könnte.
Verteilung der Phytoplankton-Biomasse, gemessen mit SeaFlow-Zytometrie vor der Küste Kaliforniens. Die farbcodierten Linien stellen die Biomassekonzentrationen dar, wobei wärmere Farben (rot-gelb) eine höhere Phytoplanktondichte und kühlere Farben (blau) eine geringere Konzentration anzeigen.
Foto: Francois Ribalet/dpa
Er ist ein extrem wichtiger Sauerstoffproduzent und sowohl der kleinste als auch der am häufigsten vorkommende photosynthetische Organismus der Erde. Namentlich bekannt dürfte Prochlorococcus dennoch kaum jemandem sein. Forschende haben nun herausgefunden, dass das Cyanobakterium empfindlicher auf hohe Temperaturen reagiert als bisher gedacht.
Der im Fachjournal «Nature Microbiology» vorgestellten Studie zufolge könnte die Prochlorococcus-Menge in tropischen Ozeanen in den kommenden Jahrzehnten immens schrumpfen. Bis zur Hälfte des Bestands könnte demnach unter moderaten und hohen Erwärmungsszenarien bis zum Jahr 2100 in tropischen Ozeanen verschwinden. Der Rückgang könnte Kettenreaktionen in den marinen Nahrungsnetzen auslösen, befürchten die Forschenden.
Laut Experten ist Prochlorococcus wahrscheinlich der zahlenmäßig häufigste Organismus auf der Erde. Das Cyanobakterium lebt in den obersten Wasserschichten der Ozeane. Mit bloßem Auge ist es nicht sichtbar, da die Zellen nur einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 1 Mikrometer haben, was etwa einem Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. In einem Wassertropfen können hunderttausende Zellen vorkommen.
Ein Fünftel des neu entstehenden Sauerstoffs
Die Bedeutung von Prochlorococcus für die Umwelt ist enorm: Laut François Ribalet von der University of Washington in Seattle produzieren diese Organismen etwa ein Fünftel des neu entstehenden Sauerstoffs in der Erdatmosphäre. Sie besiedeln mehr als 75 Prozent der sonnenbeschienenen Meeresoberflächen weltweit und stellen in den nährstoffarmen tropischen und subtropischen Gewässern fast die Hälfte der Phytoplanktonbiomasse dar. Somit ist Prochlorococcus ein wichtiger Ausgangspunkt für die Nahrungsketten in den Ozeanen.
Basierend auf Laborexperimenten wurde bisher angenommen, dass Prochlorococcus auch bei höheren Temperaturen ein starkes Wachstum zeigt. Es wird erwartet, dass sich sein Verbreitungsgebiet aufgrund des Klimawandels in Richtung der Pole ausdehnt und dass das Cyanobakterium unter den vorhergesagten nährstoffarmen Bedingungen in stärker geschichteten Ozeanen häufiger vorkommt, wie es in der Studie erwähnt wird.
Ab 28 Grad sinkt die Vermehrungsfreude
Messungen bei 90 Schiffstouren in tropischen und subtropischen Meeresgebieten zwischen 2010 und 2023 in Wassertiefen von drei bis acht Metern zeigten nun allerdings auch, dass die Teilungsrate von Prochlorococcus-Zellen nur bis zu einer Wassertemperatur von etwa 28 Grad steigt. Anschließend fällt sie steil ab und erreicht bei 31 Grad einen Wert, wie er weit entfernt von optimalen Bedingungen für Prochlorococcus typisch ist.
«Die regionalen Oberflächenwassertemperaturen könnten bis zum Ende des Jahrhunderts sowohl bei moderaten als auch bei hohen Erwärmungsszenarien diesen Bereich überschreiten», heißt es in der Studie. Nach dem Konzentrationspfad RCP8.5 mit weiterhin hohen Treibhausgasemissionen könnte sich die durchschnittliche Meerestemperatur um 3,8 Grad erhöhen. In vielen Meeresregionen könnte es dann Wassertemperaturen von rund 30 Grad geben.
Hält der Winzling mit dem Klimawandel Schritt?
Wird sich Prochlorococcus anpassen können? Frühere Studien zeigten dem Forschungsteam zufolge eine große genetische Vielfalt unter den verschiedenen Stämmen. Doch das Cyanobakterium hat auch nur ein kleines Genom. «Prochlorococcus durchlief eine Genomstraffung und verlor viele Stressreaktionsgene, um den Ressourcenbedarf zu minimieren und gleichzeitig die Leistung innerhalb eines engeren Umweltbereichs zu optimieren», heißt es in der Studie. Das gestraffte Genom könnte die Fähigkeit einschränken, sich an die rasche Erwärmung anzupassen.
Laut dem Team um Ribalet könnte das ebenfalls winzige Cyanobakterium Synechococcus von der klimatischen Entwicklung profitieren. Computermodellen zufolge könnte es die ökologische Lücke, die Prochlorococcus bei höheren Wassertemperaturen zu hinterlassen droht, zumindest teilweise füllen.
Proben nur aus obersten Schichten entnommen
Die Forschenden geben zu bedenken, dass bisher nur wenige Messungen in begrenzten Meeresgebieten durchgeführt wurden. Zudem konnten bisher selten vorkommende hitzetolerante Varianten nicht ausreichend erfasst werden.
«Eine wesentliche Schwäche der Studie ist die auf die obersten Schichten beschränkte Probennahme», sagte Bernhard Fuchs vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen dem Science Media Center. Denn dadurch bleibe außen vor, was in tieferen Schichten geschehe – ob beispielsweise nach einer Hitzewelle und dem Absterben eines großen Teils der Prochlorococcus-Populationen eine Wiederbesiedlung aus tieferen, kühleren Schichten möglich wäre. Auch die Messmethode ist aus Sicht von Fuchs nicht mehr zeitgemäß.
