Mithilfe von Lichtenergie erzeugen sie aus Kohlendioxid energiereiche Substanzen und Sauerstoff. Die Fähigkeit von Pflanzen und anderen „grünen“ Organismen zur Photosynthese bildet die Grundlage des Energiestoffwechsels fast allen Lebens auf unserem Planeten. Wegen seiner fundamentalen Bedeutung wurde dieses Naturpatent umfangreich erforscht. Doch überraschenderweise ist dabei bisher ein Aspekt unklar geblieben: Welchen Mindestlichtbedarf besitzen photosynthetische Organismen, um genügend Energie für einen Biomasseaufbau zu gewinnen? Es gab dazu zwar theoretische Berechnungen auf der Grundlage physikalischer und biochemischer Parameter. Bisher war aber zu vermuten, dass die Natur dieses Potenzial nicht ausschöpft. Denn photosynthetische Biomasseproduktion wurde bisher nur bei Lichtmengen nachgewiesen, die deutlich über dem theoretisch möglichen Minimum lagen.
Dem Lichtminimum auf der Spur
Doch nun haben Forschende um Clara Hoppe vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven die unteren Grenzen der Photosynthese-Fähigkeiten erneut ausgelotet. In ihrem Fokus standen dabei Mikroalgen – Vertreter des Phytoplanktons sowie Eisalgen, die in und unter dem arktischen Packeis leben. Das Team nutzte dabei Daten, die im Rahmen des internationalen MOSAiC-Forschungsprojekts gewonnen wurden. Dabei ließ man den deutschen Forschungseisbrecher Polarstern im Nordpolarmeer auf 88 Grad nördlicher Breite einfrieren, um dann fast ein Jahr lang die Entwicklungen des arktischen Klima- und Ökosystems im Jahresverlauf zu untersuchen.
Für die Studie wurden die Daten von Messgeräten im und unter dem Eis ausgewertet, die Informationen zur Biomasseproduktion sowie den Lichtverhältnissen lieferten. „Für die Messungen von so niedrigen Lichtmengen unter den harschen Bedingungen des arktischen Winters mussten wir mitten in der Polarnacht spezielle, neuentwickelte Messgeräte ausbringen“, berichtet Co-Autor Niels Fuchs von der Universität Hamburg.
Wie die Forschenden berichten, zeigten Werte des für die Photosynthese wichtigen Pflanzenfarbstoffes Chlorophyll sowie Messungen der Biomassenveränderungen zunächst: Schon das fahle Dämmerlicht nach dem Ende der anhaltenden Polarnacht im März kann die Mikroalgen zur Substanzproduktion auf der Grundlage von Photosynthese bringen – und das, obwohl die Strahlung noch durch das schneebedeckte Eis dringen muss. Die Messungen der Lichtintensität verdeutlichten, dass dabei nur wenige Photonen die Mikroalgen erreichen. „Am Ende konnten wir sicher sein: Mehr Licht war da nicht“, sagt Co-Autor Dirk Notz von der Universität Hamburg.
