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DIATOMEEN - kleine Algen, grosse Wirkung   Rianna Ganßauge, KGS Drawehn-Schule Clenze

Ein grosser Teil des pflanzlichen Planktons (das überwiegend aus mikroskopischen Algen besteht) sind einzellige Kieselalgen, von denen die Diatomeen eine wichtige Gruppe ausmachen. Diese Diatomeen sind Lebewesen mit besonderen Eigenschaften, welche unter anderem zur Folge haben, dass sie einen wichtigen Beitrag zur Aufnahmefähigkeit des Ozeans für atmosphärisches Kohlendioxid leisten.

Die Besonderheiten der Diatomeen
 

Diatomeen (oder auch: Kieselalgen) sind ein Teil des Phytoplanktons, also der im Ozean frei schwebenden, pflanzlichen Kleinstlebewesen. Sie stellen rund ein Drittel aller pflanzlichen Planktonarten. Diatomeen sind ca. 0,01 mm lang, je nach Grösse und Art; das entspricht etwa 1/5 einer Haardicke.

1) Diatomee in der Gürtelansicht (10 000fache Vergrösserung)	2) 10 000fach vergrösserte Mikroskopaufnahme eines Kieselpanzers

Diatomeen besitzen eine Schale aus Silikat (einem Salz der Kieselsäure). Diese Schale besteht aus zwei Teilen, welche mit breiten Gürtelbändern verbunden sind, wie man auf Bild 1 und 2 sehr gut erkennen kann. Die Silikatschale ist ein Skelett, das die Pflanzen davor schützt, von Kleinkrebsen gefressen zu werden und, wie vermutet wird, sie bildet auch einen Schutz gegen Parasiten und Krankheitserreger.

 

Viele Diatomeen haben neben dem Panzer auch noch stachelartige Auswüchse (Bild 3), die sie auch als zusätzlichen Fraßschutz und als Schwebehilfe benutzen. Diese Arten leben vor allem in den obersten Hundert Metern, in der Nähe der Meeresoberfläche, da sie für ihr Wachstum Licht benötigen. Auch kommt es sehr oft vor, dass die Diatomeen Ketten bilden (Bild 4 und 5), um weniger leicht gefressen zu werden.

3) Diatomeen mit gut sichtbaren Stacheln; Corethron cf. criophilum ©Kuylenstierna and Karlson

4) Diatomeenketten mit Stacheln als Schwebehilfe und Fraßschutz; Chaetoceros cf. brevis ©Kuylenstierna and Karlson

5) Diatomeenketten in Spiralform und mit Stacheln; Chaetoceros curvisetus ©Kuylenstierna and Karlson

In flachen Gewässern leben am Meeresboden Arten, die keine stachelartigen Auswüchse haben, weil diese sie am Boden nur stören würden. Dafür haben viele am Grund lebende Arten eine sogenannte "Raphe", eine Öffnung, aus der sie Schleim absondern. Ähnlich wie Schnecken können sie sich auf ihrem eigenen Schleim kriechend relativ schnell fortbewegen.

Insgesamt gibt es 177 Spezies (Obergruppen) und bis zu 12 000 verschiedene Arten (Untergruppen). Die lateinischen Namen setzten sich dementsprechend aus zwei Teilen zusammen. Beispielsweise gibt es die Chaetoceros (Obergruppe) curvisetus (Untergruppe) in Bild 5.
 

Asterionellopsis glacialis	Chaetoceros similis
6) Verschiedene Arten von Diatomeenketten ©Kuylenstierna and Karlson

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Vermehrung und Lebensablauf

Diatomeen vermehren sich also überwiegend asexuell, nämlich durch Teilung. Allerdings gibt es bei dieser Art der Vermehrung ein Problem: Dadurch, dass der vor der Teilung kleinere Teil eine neue Innenschale bildet, und das auch bei jeder neuen Teilung, wird der Organismus von Teilung zu Teilung immer kleiner (wie in Bild 7 angedeutet). Irgendwann ist er zu klein, um sich weiter zu teilen. In einem solchen Fall greifen die Diatomeen auf die sexuelle Reproduktion zurück (oberer Teil von Bild 7). Hierbei durchlaufen die Zellen eine Meiose. Das heisst, dass ca. die Hälfte der Zellen Eier, die andere Hälfte Spermien bilden. Die Gameten (Keimzellen) verbinden sich. Es entstehen Zygoten (Verschmelzung von Samen- und Eizelle). Die Zygoten entwickeln sich zu einzelligen Diatomeen und bilden eine silikathaltige Schale. Somit ist der Kreislauf geschlossen.

8) oben: lebende Zellen von Diatomeen; unten: sich teilende Diatomeen; Coscinodiscus concinnus ©Kuylenstierna and Karlson

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Verbreitung der Kieselalgen

Diatomeen können fast überall vorkommen, wo es genug Nährstoffe (Phosphate und Stickstoffverbindungen) und im Wasser gelöste Kieselsäuren gibt. Das ist zum einen dort der Fall, wo kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser an die Ozeanoberfläche gebracht wird, z.B. in Auftriebsgebieten und in hohen Breiten, wo das Meer durch Abkühlung und Stürme im Winter durchmischt wurde. Zum anderen ist der Nährstoffreichtum in Küstennähe gross, und zwar in den Mündungsgebieten der Flüsse, wo durch Festlandsabfluss ein steter Nachschub existiert. Folglich kommen Diatomeen also häufiger in den kühlen Gewässern der hohen Breiten und in Küstengebieten vor, wie man auch auf der Karte der Phytoplanktonverteilung im Nordatlantik in Bild 9 erkennen kann.

 

9) Verbreitung von Phytoplankton im Satellitenbild: mittlere Verteilung (1978-1986) vom Coastal Zone Color Scanner (CZCS) Quelle: (SeaWiFS-Projekt, NASA)

Insbesondere im Frühling finden im Ozean grosse Diatomeen-Blüten statt, da das Wasser während des Winters aus der Tiefe mit Nährstoffen angereichert wurde und wieder ausreichend Licht zur Verfügung steht. Im offenen Ozean ist der Vorrat an Kieselsäure und Nährstoffen an der Ozeanoberfläche nach der Blüte dann erschöpft, und er beschränkt ("limitiert") somit das weitere Wachstum. Da in der Tiefe weniger Licht ist, werden die Nährstoffe dort aber nicht so schnell verbraucht wie an der Oberfläche. Manche Diatomeen machen sich dies zunutze, indem sie unter anderem auch in lichtarmen Wassertiefen leben, wo sie somit mehr Nährstoffe zur Verfügung haben. Die Biomasse der Kieselalgen wird ausserdem durch Copepoden limitiert, kleine Krebse, die einen Teil des Zooplanktons ausmachen und sich von Diatomeen ernähren.

Wenn Diatomeen absterben, können ihre Silikatschalen miteinander verklumpen und als sogenannte "Aggregate" einige 10 bis 100 Meter pro Tag in die Tiefe rieseln. (Ob sie unten ankommen, hängt unter anderem von der Löslichkeit der Kieselsäure ab.) Am Meeresboden lagern sich die Schalen dann ab, und tragen so einen geringen Teil zum Sediment bei, das insgesamt um nur ca. 1 cm pro 1000 Jahre anwächst.

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Zusammenhang Algen & Klima: Was ist die biologische Pumpe?

Das pflanzliche Plankton stellt einen wichtigen Faktor im Klimakreislauf dar, weil es das Transportmittel ist, das atmosphärisches CO₂ in grosse Tiefen bringt. Und zwar, indem es durch die Photosynthese CO₂ in organische Biomasse bindet, welche durch Absterben und Absinken des Planktons den Kohlenstoff quasi aus der Atmosphäre in den tiefen Ozean "pumpt", so dass er für lange Zeit nicht mehr am Klimageschehen teilnehmen kann. Dieser Vorgang wird als "biologische Pumpe" bezeichnet (Abb. 10):

10) Schema der biologischen und physikalischen Pumpe

• Durch die Planktonblüte im Frühling wird der CO₂-Gehalt in der oberen Meeresschicht um bis zu 30% gesenkt. Der Ozean beginnt vermehrt, CO₂ aus der Luft aufzunehmen, um ein neues Gleichgewicht zu erreichen (1).

 
• Durch das hohe Angebot an Phytoplankton vermehrt sich auch das Zooplankton (tierisches Plankton), wie Krill und Krebstierchen, welches dann wiederum von Fischen gefressen wird. Der grösste Teil des CO₂ wird schon hier wieder durch Atmung in die obere Schicht des Ozeans abgegeben (2) und kann zurück in die Atmosphäre gelangen.
   
• Die organischen Ausscheidungen des Zooplankton (Kotballen) verkleben mit abgestorbenen Algenresten und sinken als Aggregate in die Tiefe (3).

 
• Der grösste Teil des sinkenden Materials wird auf dem Weg in die Tiefe gefressen oder von Bakterien zersetzt. Dabei wird das CO₂ wieder freigesetzt (4) und an das Wasser abgegeben.

 
• Der Teil, der nicht gefressen oder zersetzt wird, setzt sich am Meeresboden ab und bildet so einen Teil des Sediments. Da der tiefe Ozean so gut wie gar nicht mehr durchmischt wird, scheidet der im Aggregat gespeicherte organische Kohlenstoff für sehr lange Zeit aus dem CO₂ -Kreislauf aus (5), nämlich bis der so gebildete neue Meeresboden irgendwann durch geologische Veränderungen zu Festland wird und der Erosion unterliegt.
   
• Neben der biologischen gibt es auch die physikalische Pumpe, mit der durch die ozeanische Zirkulation ebenfalls CO₂ in die Tiefe transportiert wird. Der Träger ist hier das Wasser selbst (6).

Diatomeen sind nun deshalb besonders effizient für die biologische Pumpe, weil sie durch ihren Panzer aus Silikat relativ schwer sind und somit besser und schneller sinken als andere Kleinalgen (3). Besonders nach der Planktonblüte sinkt eine grosse Mengen an Partikeln und nimmt so relativ viel organischen Kohlenstoff mit in die Tiefe. Für den natürlichen CO₂-Kreislauf spielen die Diatomeen somit eine bedeutende Rolle. Ob sie unter Umständen auch in der Lage wären, das anthropogene (vom Menschen erzeugte) CO₂-Problem zu beeinflussen, oder gegebenenfalls sogar ansatzweise zu lösen, ist noch unklar.

Zumindest jedoch leisten Diatomeen einen wichtigen Beitrag zur Erforschung von erdgeschichtlichen Klimaänderungen: aufgrund ihres Panzers kann man sie im Sediment sehr gut nachweisen, und so anhand von Diatomeen in Sedimentbohrkernen eine ganze Menge von Vermutungen über das Klima der Vergangenheit aufstellen und auch beweisen.

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Links, Infos und Quellen

Auflistung von Diatomeen-Arten und viele Bilder: Checklist of phytoplankton in the Skagerrak-Kattegat; Department of Marine Botany, Göteborg University, Sweden. (We kindly thank Mats Kuylenstierna and Bengt Karlson at www.marbot.gu.se for allowing us to use their figures.)

Die Farbe des Meeres - Phytoplankton im Weltozean; Forum Geographie, Universität Kiel.

Referat über Phytoplankton zu einer Elba-Exkursion, Michaeli-Gymnasium München

Diatomeen, bei Botanik online, Universität Hamburg. (Bild 7 mit freundlicher Genehmigung von Botanik Online.)

Diatomeen, bei Mikrobiologische Vereinigung München e.V.

 

Quellenangaben: Titelbild, Bilder 3-6 und 8: www.marbot.gu.se Bild 7: www.biologie.uni-hamburg.de Bild 9: www.ifm.uni-kiel.de/jgofs/dm/index.html

Ihr Ansprechpartner am Institut für Meereskunde Kiel:
Frau Dr. Avan N. Antia

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