In den nährstoffarmen Regionen der Weltmeere sind die Bedingungen für viele Organismen schwierig. Dennoch können sich winzige Meeresorganismen namens Collodaria dort seit Millionen von Jahren erfolgreich behaupten. Eine entscheidende Rolle spielen mikroskopisch kleine Algen, die in enger Gemeinschaft mit ihnen leben und für ihr Überleben unverzichtbar sind. Ein Forschungsteam des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse” an der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat nun untersucht, wie der Stoffwechsel dieser Lebensgemeinschaft funktioniert. Die Ergebnisse eröffnen neue Einblicke in die Abläufe mariner Ökosysteme.

Erfolgreiche Partnerschaft im nährstoffarmen Meer

Collodaria sind einzellige Meeresorganismen, von denen einige Arten große Kolonien in den lichtdurchfluteten oberen Schichten der Ozeane bilden. In diesen Kolonien leben Hunderte bis Tausende mikroskopisch kleiner Algen. Diese enge biologische Gemeinschaft wird als „Holobiont” bezeichnet und basiert auf einer klaren Arbeitsteilung zwischen den Partnern. Wie die Studie zeigt, produzieren die Algen durch Photosynthese Zucker und tragen damit wesentlich zur Energieversorgung bei. Die Collodaria wiederum bieten den Algen Schutz und nehmen wichtige Nährstoffe direkt aus dem umgebenden Meerwasser auf. Auf diese Weise profitieren beide Seiten von der engen Lebensgemeinschaft.

Lange war allerdings nicht eindeutig geklärt, auf welche Weise die Algen die Collodaria konkret unterstützen. Verschiedene wissenschaftliche Hypothesen gingen dabei zum Teil deutlich auseinander. Eine zusätzliche Herausforderung für die Forschung besteht darin, dass Collodaria äußerst empfindlich sind und bislang nicht dauerhaft unter Laborbedingungen kultiviert werden können. Das Jenaer Forschungsteam entwickelte deshalb einen feldbasierten Ansatz, um die Stoffwechselprozesse direkt unter natürlichen Bedingungen zu untersuchen.

Stoffaustausch direkt im Meer untersucht

Die Erstautorin Dr. Vera Nikitashina und Dr. Georg Pohnert, Professor für Analytische Chemie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, sammelten frische Collodaria-Kolonien direkt im offenen Ozean. Mithilfe stabiler Isotopenmarkierungen machten sie den Stoffaustausch zwischen den Organismen und ihren Algen sichtbar. Mit diesem Verfahren lässt sich verfolgen, wie zugeführte markierte Verbindungen in weitere Stoffwechselprodukte eingebaut werden. Dadurch konnten die Forschenden nachvollziehen, welche Stoffwechselwege innerhalb der Lebensgemeinschaft aktiv sind. Die Markierungsexperimente fanden direkt im Mittelmeer statt, die anschließenden detaillierten chemischen Analysen wurden im Labor in Jena durchgeführt.

„Es war faszinierend zu sehen, wie präzise diese biologische Partnerschaft organisiert ist”, sagt Georg Pohnert. „In diesen Regionen der Ozeane sind Nährstoffe äußerst knapp. Für Organismen, die keine Photosynthese betreiben, ist das Überleben sehr schwierig. Dennoch sind Collodaria in diesen Regionen außerordentlich häufig. Jetzt verstehen wir, wie sie die begrenzte Nährstoffversorgung überwinden – sie verlassen sich auf ihre mikroskopischen photosynthetischen Partner.”

„Zum ersten Mal konnten wir die chemische Natur der zwischen den Partnern ausgetauschten Verbindungen identifizieren”, ergänzt er. „Die Algen liefern durch Photosynthese erzeugte Zucker, während der Wirt schützende Verbindungen aus dem umgebenden Wasser aufnimmt. Diese hocheffiziente Arbeitsteilung im Mikromaßstab ist der Schlüssel dafür, dass diese Organismen selbst in den nährstoffärmsten Regionen der Ozeane gedeihen können.”

Neue Erkenntnisse für Klima- und Meeresforschung

Die Ergebnisse sind auch für die Klimaforschung von Bedeutung. Collodaria sind weltweit verbreitet und spielen eine wichtige Rolle in globalen biogeochemischen Kreisläufen. Die neuen Erkenntnisse über ihren Stoffwechsel können deshalb dazu beitragen, besser vorherzusagen, wie marines Plankton auf veränderte Umweltbedingungen und den Klimawandel reagiert.

Darüber hinaus könnten die Daten helfen, bestehende ökologische Modelle zur Produktivität der Meere und zur Speicherung von Kohlenstoff weiter zu verbessern. Damit lassen sich langfristig auch die Folgen menschlicher Einflüsse auf marine Ökosysteme genauer erfassen.

„Unsere Ergebnisse verfeinern die Sichtweise auf marine Nahrungsnetze grundlegend”, betont Vera Nikitashina. „Mit diesem Wissen können wir ökologische Modelle zur marinen Produktivität und Kohlenstoffspeicherung erheblich verbessern. Dadurch lassen sich die direkten Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf marine Ökosysteme künftig besser verstehen und vorhersagen.”

Originalpublikation: Metabolic partitioning between photosynthesis and osmotrophy in Collodaria photosymbiotic holobionts | Nature Communications