Ozeanerwärmung schadet marinen Sauerstoffproduzenten

“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