Verständnis der CO₂-Aufnahme in den Ozeanen

Meeresalgen spielen eine entscheidende Rolle bei der globalen CO₂-Aufnahme und tragen erheblich zur Aufnahme von vom Menschen erzeugtem CO₂ durch die Ozeane bei. Da ihre photosynthetischen Enzyme vor über einer Milliarde Jahren entstanden sind, als die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre viel höher war, investieren die meisten Algen heute viel Energie, um Kohlenstoff zu transportieren und die CO₂-Konzentration am aktiven Ort der Enzyme zu erhöhen. Man nimmt an, dass steigende CO₂-Werte in der Atmosphäre den grossen Energieaufwand dafür verringern könnten und die Produktivität der Algen in einigen Meeresgebieten fördern könnten. Da dieser Mechanismus der Kohlenstoffkonzentration tief in der Zelle stattfindet und grösstenteils nicht sichtbar ist, haben wir jedoch kein genaues Verständnis davon, wie intensiv er in verschiedenen Teilen der Ozeane heute genutzt wird. Dort sind die Zellen gefordert, ihre Energie genau auszubalancieren, um mit verschiedenen Herausforderungen fertig zu werden.

In einer kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten Studie untersuchten Forschende des Geologischen Instituts der ETH Zürich einen chemischen Indikator – das relative Vorkommen zweier stabiler Isotope von Wasserstoff in Algenlipiden. Ziel war es, diesen Indikator zu entschlüsseln, um die Effizienz der Photosynthese in anderen Umgebungen besser zu verstehen, in denen sie Algen nicht so leicht manipulieren oder untersuchen können wie in Laborexperimenten. Sie arbeiteten mit dem Verhältnis der Wasserstoffisotope in den von den Algen produzierten Lipiden, weil diese Lipide leicht aus natürlichen Algenpopulationen in der Aquakultur und im Ozean extrahiert werden können. Diese Lipide sammeln sich sogar am Meeresboden an, nachdem die Algen gestorben sind, sodass die Forschenden auch das Verhalten von photosynthetischen Prozessen in der Vergangenheit unter verschiedenen Umweltbedingungen untersuchen können.

Bisher gab es grosses Interesse daran, das Verhältnis zweier Wasserstoffisotope (²H/¹H) in Algenlipiden als passiven Indikator für das ²H/¹H-Verhältnis im Ozean zu nutzen. Das Verhältnis der Wasserstoffisotope im Ozean wird durch das Gleichgewicht von Verdunstung und Niederschlag in einer bestimmten Region kontrolliert und variiert mit dem Salzgehalt. Man war daran interessiert, Lipide fossiler Algen zu verwenden, um die vergangenen Veränderungen des Salzgehalts in verschiedenen Regionen des Ozeans zu schätzen und den Süsswasserkreislauf in verschiedenen Klimazonen besser zu verstehen. Allerdings führte dieses Interpretationsschema immer wieder zu Widersprüchen, da Algenlipide, die aus natürlichen Ozeanpopulationen gesammelt wurden, ganz anders reagierten als Laborkulturen, bei denen nur eine einzelne Umweltvariable wie der Salzgehalt manipuliert wurde.

Um diesen Indikator besser zu entschlüsseln, züchteten die Forschenden die Algen unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen im Labor und untersuchten zum ersten Mal, wie die CO₂-Konzentration das Verhältnis der Wasserstoffisotope beeinflusst. In einer zweiten Phase der Studie entwickelten sie ein umfassendes neues Modell für die zellulären Umwandlungen von Wasserstoff in verschiedenen Teilen des Photosynthese-Zyklus und wie diese das Wasserstoffisotopenverhältnis beeinflussen. Dieses neue Modell ermöglichte es ihnen, die biochemischen Variablen zu identifizieren, die im chemischen Indikator verschlüsselt sind, und zeigte, dass dieser sehr empfindlich auf die CO₂-Konzentration am Ort des photosynthetischen Enzyms Rubisco reagiert.

Als nächster Schritt wird es wichtig sein zu untersuchen, ob die Regulierung des Kohlenstoffkonzentrations-Mechanismus bei anderen Arten von marinem Phytoplankton ähnlich ist.