Der Verlust des Wintereises verändert das Nahrungsnetz der Großen Seen – so formt Licht das Leben unter Wasser

Die Winter an den Großen Seen sind hart – so hart, dass sich die dort arbeitenden Wissenschaftler oft auf die Sommermonate konzentrieren, in denen winzige Mikroben am unteren Ende der Nahrungskette als am produktivsten gelten.

Neuere Forschungsergebnisse verändern jedoch unser Verständnis dieser Winterökosysteme und werfen ein Licht auf eine lebendige Welt winterlicher Aktivitäten direkt unter dem Eis.

Anfang der 2000er Jahre entdeckten Wissenschaftler, dass Kieselalgen – winzige photosynthetisierende Algen – im Licht unter dem windgepeitschten Seeeis gedeihen. Doch wie sich herausstellte, war das nur ein Teil der Geschichte.

Während das Wintereis der Großen Seen verschwindet – es erreichte im Winter 2023/24 einen Rekordtiefstand –, zeigen neue Analysen, dass einige Kieselalgen offenbar über eine andere Möglichkeit verfügen, Energie zu erzeugen und bis zum Sommer in dem dunklen, trüben, eisfreien Wasser zu überleben.

Diese Mikroben sind für die Gesundheit der Großen Seen von entscheidender Bedeutung. Sie reinigen das Wasser von Schadstoffen und sind der erste Schritt im komplexen Nahrungsnetz, das eine Fischerei unterstützt, die wiederum einen Teil der regionalen Wirtschaft antreibt. Veränderungen hier können weitreichende Auswirkungen auf die Ökologie der Seen und direkte wirtschaftliche Auswirkungen auf die umliegenden Gemeinden haben.

Aus dem Eis sickern

Das Interesse am Leben unter dem Eis flammte 2007 auf, als einem internationalen Wissenschaftlerteam an Bord eines Eisbrechers der kanadischen Küstenwache etwas Ungewöhnliches auffiel, während sich das Schiff seinen Weg durch das Eis des Eriesees bahnte.

Als das Eis brach, sickerte dunkelbraunes Wasser aus dem See. Es wimmelte von Kieselalgen.

Es gab in der Vergangenheit vereinzelte Studien zu den Wintermikroben, doch den Limnologen – den Wissenschaftlern, die sich mit der Erforschung von Seen befassen – fehlten bis vor Kurzem die Mittel, um das Verhalten der Mikroben vollständig zu verstehen.

In den letzten fünf Jahren hat das Joint Genome Institute des US-Energieministeriums ein molekularbiologisches Projekt unterstützt, bei dem die RNA aller Mikroorganismen aus Proben aus dem Eriesee sequenziert wurde, um herauszufinden, wie diese Organismen die Wintermonate überlebt haben und sich an zukünftige Klimaszenarien anpassen könnten oder nicht. Aus dieser Anstrengung gehen nun neue Erkenntnisse darüber hervor, wie Kieselalgen Licht nutzen könnten.

Verwendung von Proteinen, die in Tieraugen vorkommen

Normalerweise denken wir bei Kieselalgen an Organismen, die Sonnenlicht nutzen, um durch Photosynthese Kohlendioxid in lebende Materie umzuwandeln. Im Sommer sind sie überall in den Großen Seen anzutreffen, wo sie zur Versorgung der milliardenschweren Sport- und kommerziellen Fischerei der Seen beitragen.

Im Winter können Kieselalgen Energie aus dem Licht gewinnen, das durch das windgepeitschte Eis dringt. Wenn im Winter jedoch kein Eis vorhanden ist, vermischen sich die Kieselalgen mit Seewasser, das man manchmal am besten als Schokoladenmilch beschreiben kann. Licht dringt schlecht durch dieses trübe Wasser und die Kieselalgen erhalten weniger der spezifischen Wellenlängen des Lichts, die die Photosynthese antreiben.

Wir haben im Winter 2019/2020 Proben gesammelt, um zu vergleichen, wie sich Kieselalgengemeinschaften in offenen Gewässern von denen unterscheiden, die unter Eis leben. Wir waren überrascht, dass einige Kieselalgen in Abwesenheit von Eis eine andere Form der Energiegewinnung nutzten – angetrieben von einem Pigment namens Rhodopsin.

Rhodopsine sind lichtempfindliche Proteine, die vor allem als Schlüsselbestandteil der Augen von Tieren bekannt sind. In Meeressystemen wurde 2001 gezeigt, dass diese Proteine ​​an der Energieerzeugung in Bakterienzellen beteiligt sind, insbesondere an der Produktion von Adenosintriphosphat oder ATP. ATP ist eine Chemikalie, die Organismen als Energiequelle für viele zelluläre Prozesse verwenden, was ihr den Spitznamen „molekulare Währung“ lebender Zellen eingebracht hat.

Nun scheint es, dass einige Kieselalgen im Eriesee diesen Mechanismus zur Energieerzeugung nutzen, um die lichtlimitierte Photosynthese in den eisfreien Wintermonaten zu steigern.

Unterschiede zwischen den beiden Prozessen können wichtig sein: Die Photosynthese hilft Zellen, Kohlenstoff zu fixieren, um neue Biomasse sowie Zellenergie in Form von ATP zu produzieren. Bei Rhodopsinen wird zwar ATP produziert, es findet jedoch keine direkte Kohlenstofffixierung statt.

Dies bedeutet, dass Zellen in diesen trüben Gewässern wahrscheinlich überleben, aber nicht wachsen können. In der Biologie ist Überleben jedoch alles: Wenn die Konkurrenten eines Organismus harte Bedingungen nicht überleben, der Organismus jedoch schon, wird es bei besseren Bedingungen mehr Nährstoffe geben. In diesem Sinne scheinen die Rhodopsine in diesen Kieselalgen sowohl ein Überlebensmechanismus als auch eine Möglichkeit zu sein, in trüben, eisfreien Winterbedingungen zu überleben.

Beobachten Sie, wie sich das Leben im See mit dem Klimawandel verändert

Während wir uns in ein wärmeres Klima und eine eisfreie Ära für den Eriesee und andere gemäßigte Seen im Norden bewegen, deuten diese Daten darauf hin, dass die Kieselalgen, die in eisbedeckten Seen gediehen, im Laufe der Zeit in den Wintermonaten durch Kieselalgen mit Rhodopsinen ersetzt werden könnten.

Die Folgen dieser Veränderung sind möglicherweise vielfältig: Kleine Veränderungen an der Basis des Nahrungsnetzes können Auswirkungen auf die Fischerei haben. Darüber hinaus ist bekannt, dass einige Kieselalgen Verbindungen produzieren, die für Tiere und Menschen giftig sind.

Wir können derzeit nur Vermutungen darüber anstellen, wie sich Veränderungen der Algenarten langfristig auf Fischerei, Tourismus und Küstenressourcenmanagement auswirken werden. Wie sich Algengemeinschaften im Laufe der Zeit verändern, hängt von vielen Faktoren ab, und Licht ist nur einer davon. Aber die Möglichkeit, diese Veränderung von Anfang an zu beobachten, bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Auswirkungen des wärmer werdenden Klimas auf die Großen Seen und ähnliche Seen auf der ganzen Welt zu verstehen.