Das Cyanobakterium Prochlorococcus marinus ist der kleinste und gleichzeitig häufigste photosynthetische Planktonorganismus der Erde. Der nur 0,5 bis ein Mikrometer kleine Einzeller kommt in 75 Prozent des oberflächennahen Meerwassers weltweit vor und ist für rund ein Fünftel der gesamten irdischen Sauerstoffproduktion verantwortlich. Vor allem in subtropischen und tropischen Meeresgebieten dominiert dieses Cyanobakterium. “Dort trägt es fast die Hälfte der gesamten Phytoplankton-Biomasse bei”, erklären François Ribalet von der University of Washington in Seattle und seine Kollegen. Die winzige Blaualge profitiert davon, dass sie gut in warmem Wasser gedeiht, aber gleichzeitig nur wenig Nährstoffe für ihr Wachstum benötigt. Denn gerade in wärmerem Meeresgebieten ist das Meerwasser oft sehr stabil geschichtet. Wenn das Plankton dann die Nährstoffe der oberen Schicht aufzehrt, kommt nur wenig aus kühleren, tieferen Wasserschichten nach. “Das Meer in den Tropen ist abseits der Küsten so wunderschön blau, weil dort außer Prochlorococcus nur wenig lebt”, erklärt Ribalet. Das Cyanobakterium hat sich an die nährstoffarmen Bedingungen angepasst, in dem es über Millionen Jahre seine Größe verringert und sein Genom bis auf das Nötigste reduziert hat.
Messfahrten über 200.000 Kilometer
Doch trotz der großen Bedeutung von Prochlorococcus für die subtropischen und tropischen Ozeane und ihre photosynthetische Sauerstoffproduktion war bisher unklar, wie dieses Cyanobakterium auf den Klimawandel reagieren wird. “Unser Wissen darüber, wie kleines Phytoplankton auf künftige Meerestemperaturen reagiert, beruhen größtenteils auf Laborversuchen mit Modellorganismen”, erklären die Forschenden. “Aber dies kann die Komplexität der Interaktionen und ihrer genetischen Triebkräfte nicht rekapitulieren.” Deshalb haben sie seit 2003 rund 14 Jahre lang Jahren 90 Messfahrten über insgesamt 200.000 Kilometer Strecke im Pazifik durchgeführt, auf denen sie das Mikro-Phytoplankton und im Speziellen Prochlorococcus in verschiedenen Meeresgebieten und bei unterschiedlichen Wassertemperaturen untersucht haben. Ribalet und sein Team nahmen dafür Wasserproben aus drei bis acht Meter Wassertiefe und damit aus den lichtdurchfluteten, für Phytoplankton und Photosynthese entscheidenden Wasserschichten. Mithilfe eines Durchfluss-Cytometers zählten sie automatisiert, wie viele Prochlorococcus-Zellen in den Wasserproben enthalten waren. Insgesamt erfasste das Team mehr als 800 Milliarden Zellen dieses Cyanobakteriums.
“Meine grundlegende Frage dabei war: Geht es Prochlorococcus gut, wenn es warm ist oder nicht?”, erläutert Ribalet. Die vergleichenden Analysen ergaben, dass die Dichte des Cyanobakteriums und die mithilfe eines Modells aus den Daten ermittelte Vermehrungsrate in erster Linie von der Wassertemperatur abhängt. Doch anders als angenommen kann es Prochlorococcus auch schnell zu warm werden: “Die Analysen enthüllten, dass die maximalen Teilungsraten mit zunehmender Temperatur zunächst exponentiell ansteigen, bis eine Schwelle von rund 28 Grad erreicht ist”, berichten Ribalet und seine Kollegen. Oberhalb dieser Temperatur kommt es jedoch zu einem drastischen Einbruch. “Die Vermehrung des Cyanobakteriums verringert sich bis 31 Grad auf nur noch ein Drittel des Werts bei 19 Grad”, so das Team. Selbst in relativ nährstoffreichen Regionen des Indischen Ozeans, wo Prochlorococcus besonders hohe Vermehrungsraten erreicht, zeigte sich dieser rapide Abfall, sobald die Meerestemperaturen über 28 stiegen. Mit dem Vermehrungsraten nahm auch die Populationsdichte ab. Ähnliches beobachteten die Forschenden in ergänzenden Laborversuchen mit 13 verschiedenen Prochlorococcus-Stämmen: Auch sie zeigten eine deutliche Obergrenze ihres Temperatur-Toleranzbereichs. “Diese Temperaturschwelle liegt demnach weit niedriger als wir dachten”, sagt Ribalet.
Abnahme der Produktivität um 17 bis 51 Prozent
Diese Daten legen nahe, dass der wichtige marine Sauerstoffproduzent Prochlorococcus wärmeempfindlicher ist als lange angenommen. “Anders als küstennahes und in höheren Breiten vorkommendes Phytoplankton, das substanzielle Temperaturschwankungen gewohnt ist und eine breite Temperaturtoleranz aufweist, zeigt Prochlorococcus eine spezifische Anfälligkeit gegenüber hohen Temperaturen”, erklären Ribalet und seine Kollegen. Sie führen dies auch darauf zurück, dass dieses Cyanobakterium im Laufe seiner Evolution viele für die Anpassung wichtige Gene reduziert hat. Den neuen Erkenntnissen zufolge könnte die Erwärmung der Ozeane damit auch erhebliche Folgen für die Sauerstoffproduktion im Meer und die marinen Nahrungsketten haben. Denn Klimaprognosen zufolge könnten viele tropische und subtropische Meeresgebiete schon in naher Zukunft zumindest zu einigen Zeiten im Jahr die 28-Grad-Schwelle der Wassertemperatur überschreiten. Wie sich dies konkret auf Prochlorococcus auswirken wird, haben Ribalet und seine Kollegen mithilfe eines dreidimensionalen numerischen Ökosystemmodells untersucht. In diesem simulierten sie die Vermehrung und Populationsdichten des Cyanobakteriums bis 2100 unter dem gemäßigten Klimawandelszenario RCP4.5 und bei weitgehend ungebremstem Klimawandel (RCP8.5) reagieren wird. Beim gemäßigten Szenario steigen die Meeresoberflächentemperaturen um 1,6 Grad, bei starkem Klimawandel um im Mittel 3,8 Grad.
Die Simulation ergab: “Bis 2100 wird die Produktivität von Prochlorococcus in tropischen Regionen je nach Erwärmungsszenario um 17 bis 51 Prozent absinken”, berichten Ribalet und sein Team. “Besonders stark wird sich dies in Regionen wie dem westpazifischen Wärme-Pool auswirken, für das unser Modell einen fast völligen Kollaps der Prochlorococcus-Populationen prognostiziert.” Allerdings sagt das Modell auch voraus, dass sich die Verbreitungsgebiete des Cyanobakteriums auch deutlich verschieben werden. Von den zu heiß gewordenen Meeresgebieten der Tropen wird sich dieses Phytoplankton zunehmend in kühlere subtropische und gemäßigte Meeresregionen verlagern. “Trotz der Habitaterweiterung wird die globale Produktivität von Prochlorococcus aber im moderaten Klimaszenario um 17 Prozent abnehmen, bei stärkerer Erwärmung um 38 Prozent”, schreiben die Forschenden.
“Kaskadierende Auswirkungen auf die marinen Nahrungsketten”
Doch was bedeutet dies konkret für die Meeresumwelt? Theoretisch wäre es denkbar, dass andere Phytoplanktonarten diese Verluste zumindest zum Teil ausgleichen. Wie das Team ermittelte, nimmt beispielsweise die zweithäufigste Cyanobakterienart in tropischen und subtropischen Meeresgebieten, Synechococcus, bei steigenden Meerestemperaturen zu – ohne den Einbruch bei 28 Grad Wassertemperatur. Allerdings ist Synechococcus größer und benötigt mehr Nährstoffe, wodurch einige Meeresgebiete für ihn ungeeignet wären. “Und wenn Synechococcus übernimmt, ist noch nicht gesagt, dass andere Organismen mit ihm in gleicher Weise interagieren können, wie sie dies mit Prochlorococcus seit Millionen Jahren tun”, sagt Ribalet. Der Verlust von Prochlorococcus könne kaskadierende Auswirkungen auf die marinen Nahrungsketten haben, weil dieses Cyanobakterium eine spezielle ökologische Nische einnimmt, die kein anderer Organismus in der gleichen Weise besetzen kann.
Das Forschungsteam räumt jedoch auch ein, dass viele Aspekte der künftigen Entwicklung dieses Cyanobakteriums und des restlichen marinen Phytoplanktons noch nicht ausreichend untersucht sind. So ist zurzeit unklar, ob es nicht irgendwo in den Tropen doch einen Stamm dieses Cyanobakteriums gibt, der eine höhere Wärmetoleranz entwickelt hat. “Wenn sich dies zeigen sollte, wäre uns das sehr willkommen, denn dann gäbe es Hoffnung für diese entscheidende Organismengruppe”, sagt Ribalet.
Quelle: François Ribalet (University of Washington, Seattle) et al., Nature Microbiology, doi: 10.1038/s41564-025-02106-4
