Einer der wichtigsten Sauerstofflieferanten der Erde ist durch die Ozean-Erwärmung bedroht. Es geht um das Bakterium Prochlorococcus (Bild), das durch Photosynthese bis zu einem Fünftel des Sauerstoffs herstellt. Gemäss einer Studie im Wissenschaftsjournal «Nature Microbiology» könnte die Prochlorococcus-Menge in den Ozeanen um bis zu 51 Prozent schrumpfen. Das dürfte unter anderem fatale Folgen für die marinen Nahrungsketten haben.

Das Cyanobakterium Prochlorococcus ist ein Beispiel dafür, wie die Wissenschaft erst am Anfang steht, die Systeme in den Ozeanen zu begreifen. Der Winzling, der nur mit hochtechnischen Apparaturen sichtbar wird, wurde erst in den 1980er-Jahren entdeckt. Dabei ist es der am häufigsten vorkommende Organismus, der Photoasynthese betreibt. «Seine Empfindlichkeit gegenüber Klimaveränderungen ist jedoch noch unklar», schreiben die AutorInnen der Studie. Das Ergebnis ihrer jahrelangen Forschung: «Die Teilungsraten von Prochlorococcus scheinen in erster Linie von der Temperatur bestimmt zu sein, steigen exponentiell bis 28 °C an und fallen dann stark ab. Die regionalen Oberflächenwassertemperaturen könnten bis zum Ende des Jahrhunderts sowohl bei moderaten als auch bei hohen Erwärmungsszenarien diesen Bereich überschreiten. Unter diesen zukünftigen Bedingungen deutet unser globales Ozeanökosystemmodell auf einen möglichen Rückgang der Prochlorococcus-Produktion in tropischen Ozeanen um 17 bis 51 % hin. (...) Diese Ergebnisse unterstreichen die potenzielle Anfälligkeit von Prochlorococcus-abhängigen Meeresökosystemen gegenüber der zukünftigen Erwärmung.»

Im untenstehenden Vortrag, den die Entdeckerin des Prochlorococcus, Penny Chrisholm, 2018 in Vancouver hielt, ging sie davon aus, dass durch wärmeres Wasser Prochlorococcus gefördert werde. Die neuere Forschung zeigt nun, dass dies nur bis 28 °C gilt. Bei wärmerem Wasser wird es der Bakterie zu heiss.

Eine weitere, in «Nature» publizierte Studie zeigt die Gefahren, die mit der Auswaschung von Chemikalien aus Plastikmüll im Meer verbunden sind. Solche Stoffe werden bei der Herstellung der meisten Kunststoffprodukte hinzugefügt. Dazu «gehören Katalysatorrückstände, Polymerisationslösungsmittel, Weichmacher, Metalle, Farbstoffe, Flammschutzmittel, UV-Stabilisatoren, Antioxidantien und antimikrobielle Mittel. (…) Viele dieser Zusatzstoffe wurden weltweit in Meeres- und Flussmündungsgewässern in Konzentrationen von bis zu Mikrogramme pro Liter nachgewiesen», stellen die WissenschaftlerInnen fest. Das Team fand heraus, dass Plastikauswaschungen bei den untersuchten Prochlorococcus-Stämme zu geringeren Wachstumsraten, weniger Photosynthese – und damit tieferer Sauerstoffproduktion – und erheblichen genetischen Veränderungen führten. Die Chemikalen aus PVC-Matten hatten eine stärkere Wirkung als jene aus Plastiktüten.

Die Tragweite solcher Veränderungen wird deutlich im erwähnten Vortrag von Penny Chrisholm: 

Das winzige Geschöpf, das heimlich den Planeten antreibt

Ich möchte Ihnen einen winzigen Mikroorganismus vorstellen, von dem Sie wahrscheinlich noch nie gehört haben: Er heisst Prochlorococcus und ist ein wirklich erstaunliches kleines Lebewesen.

Zum einen haben seine Vorfahren die Erde so verändert, dass unsere Evolution möglich wurde, und in seinem genetischen Code verbirgt sich ein Bauplan, der uns Wege aufzeigen könnte, wie wir unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern können. Das Erstaunlichste daran ist jedoch, dass es drei Milliarden Milliarden Milliarden dieser winzigen Zellen auf unserem Planeten gibt, von deren Existenz wir bis vor 35 Jahren nichts wussten.

Um Ihnen ihre Geschichte zu erzählen, muss ich Sie zunächst vier Milliarden Jahre zurückversetzen, als die Erde vielleicht so aussah.

Nachfolgende Bilder stammen aus dem Vortrag von Penny Chrisholm

Es gab kein Leben auf dem Planeten, es gab keinen Sauerstoff in der Atmosphäre. Was geschah also, um diesen Planeten in den zu verwandeln, den wir heute geniessen, voller Leben, voller Pflanzen und Tiere?

Nun, mit einem Wort: Photosynthese. Vor etwa zweieinhalb Milliarden Jahren entwickelten sich einige dieser alten Vorfahren von Prochlorococcus so weiter, dass sie Sonnenenergie nutzen und absorbieren und Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten konnten.

Und sie nutzten die dabei entstehende chemische Energie, um CO2, also Kohlendioxid, aus der Atmosphäre zu entziehen und daraus Zucker, Proteine und Aminosäuren zu bilden – also all das, woraus Leben besteht. Während sie sich über Millionen und Abermillionen von Jahren weiterentwickelten und vermehrten, sammelte sich dieser Sauerstoff in der Atmosphäre an. Vor etwa 500 Millionen Jahren war genug davon in der Atmosphäre vorhanden, dass sich grössere Organismen entwickeln konnten. Es kam zu einer Explosion von Lebensformen, und schliesslich tauchten auch wir auf. 

Währenddessen starben einige dieser alten Photosyntheseorganismen, wurden komprimiert und begraben und verwandelten sich in fossile Brennstoffe, in deren Kohlenstoffverbindungen Sonnenlicht eingeschlossen ist. Sie sind im Grunde genommen begrabenes Sonnenlicht in Form von Kohle und Öl. 

Die heutigen Photosyntheseorganismen sind Nachkommen dieser alten Mikroben und versorgen im Grunde genommen alles Leben auf der Erde mit Nahrung. Ihr Herz schlägt mit der Sonnenenergie, die eine Pflanze für Sie verarbeitet hat, und Ihr Körper besteht aus CO2, das eine Pflanze für Sie verarbeitet hat. Im Grunde genommen bestehen wir alle aus Sonnenlicht und Kohlendioxid. Im Grunde genommen sind wir nur heisse Luft.

Als Landlebewesen sind wir mit den Pflanzen an Land sehr vertraut: den Bäumen, den Gräsern, den Weiden, den Feldfrüchten. Aber die Ozeane sind mit Milliarden Tonnen von Tieren gefüllt. Haben Sie sich jemals gefragt, wovon diese sich ernähren?

Nun, es gibt eine unsichtbare Weide mikroskopisch kleiner Photosynthese-Organismen namens Phytoplankton, die die oberen 200 Meter des Ozeans füllen und das gesamte Ökosystem des offenen Ozeans ernähren. Einige der Tiere leben unter ihnen und fressen sie, andere schwimmen nachts nach oben, um sich von ihnen zu ernähren, während wieder andere in der Tiefe sitzen und darauf warten, dass sie sterben und sich absetzen, um sie dann zu verschlingen.

Diese winzigen Phytoplankton-Algen wiegen zusammen weniger als ein Prozent aller Pflanzen an Land, aber jährlich photosynthetisieren sie so viel wie alle Pflanzen an Land, einschliesslich des Amazonas-Regenwaldes, den wir als die Lunge des Planeten betrachten. Jedes Jahr binden sie 50 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid in ihren Körpern, die das Ökosystem des Ozeans ernähren. 

Wie kann diese winzige Menge an Biomasse so viel produzieren wie alle Pflanzen an Land?

Nun, sie haben keine Stämme, Stiele, Blüten, Früchte und all das, was sie pflegen müssten. Sie müssen nur wachsen und sich teilen, wachsen und sich teilen. Sie sind wirklich schlanke kleine Photosynthese-Maschinen. Sie arbeiten wirklich auf Hochtouren.

Es gibt Tausende verschiedener Arten von Phytoplankton in allen möglichen Formen und Grössen, die alle etwa weniger als die Breite eines menschlichen Haares haben. Hier zeige ich Ihnen einige der schöneren Arten, die man aus Lehrbüchern kennt.

Und hier ist Prochlorococcus. 

Ich weiss, es sieht aus wie ein Haufen Schmutz auf einem Objektträger. Aber sie sind da, und ich werde sie Ihnen gleich zeigen.

Zuerst möchte ich Ihnen jedoch erzählen, wie sie entdeckt wurden.

Vor etwa 38 Jahren spielten wir in meinem Labor mit einer Technologie namens Durchflusszytometrie herum, die für die biomedizinische Forschung zur Untersuchung von Zellen wie Krebszellen entwickelt worden war, aber es stellte sich heraus, dass wir sie für diesen nicht vorgesehenen Zweck nutzten, nämlich zur Untersuchung von Phytoplankton, und dafür war sie wunderbar geeignet.

Und so funktioniert es: Man injiziert eine Probe in dieses winzige Kapillarröhrchen, und die Zellen werden einzeln durch einen Laser geleitet. Dabei streuen sie Licht entsprechend ihrer Grösse und emittieren Licht entsprechend den Pigmenten, die sie enthalten, egal ob diese natürlich sind oder ob man sie gefärbt hat. Und das Chlorophyll des Phytoplanktons, das grün ist, emittiert rotes Licht, wenn man es mit blauem Licht bestrahlt.

Wir haben dieses Gerät mehrere Jahre lang verwendet, um unsere Phytoplanktonkulturen zu untersuchen, Arten wie die charismatischen, die ich Ihnen gezeigt habe, und einfach ihre grundlegende Zellbiologie zu studieren. Aber die ganze Zeit über dachten wir: Wäre es nicht toll, wenn wir ein solches Gerät auf ein Schiff mitnehmen und einfach Meerwasser hindurchspritzen könnten, um zu sehen, wie die ganze Vielfalt des Phytoplanktons aussieht?

Also habe ich mir ein sogenanntes „Big Rig” in der Durchflusszytometrie besorgt, einen grossen, leistungsstarken Laser mit einer Geld-zurück-Garantie des Herstellers, der das Gerät zurücknehmen würde, wenn es auf einem Schiff nicht funktionieren sollte.

Und so konnte ein junger Wissenschaftler, mit dem ich damals zusammenarbeitete, Rob Olson, dieses Gerät auseinanderbauen, auf ein Schiff bringen, wieder zusammenbauen und mit auf See nehmen. Und es funktionierte wunderbar. Wir hatten nicht damit gerechnet, weil wir dachten, dass die Vibrationen des Schiffes die Fokussierung des Lasers beeinträchtigen würden, aber es funktionierte wirklich wunderbar. Und so kartierten wir die Phytoplanktonverteilung im Ozean. Zum ersten Mal konnte man sie in Echtzeit Zelle für Zelle betrachten und sehen, was vor sich ging – das war sehr aufregend.

Aber eines Tages bemerkte Rob einige schwache Signale, die aus dem Gerät kamen und die wir etwa ein Jahr lang als elektronisches Rauschen abtaten, bevor wir merkten, dass es sich nicht wirklich wie Rauschen verhielt. Es hatte einige regelmässige Muster. Um es kurz zu machen: Es handelte sich um winzige, winzige Zellen, weniger als ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares, die Chlorophyll enthalten. Das war Prochlorococcus.

Erinnern Sie sich an diese Folie, die ich Ihnen gezeigt habe? Wenn man dasselbe Präparat mit blauem Licht beleuchtet, sieht man Folgendes: zwei winzige kleine Zellen, die rotes Licht ausstrahlen. Das sind Prochlorococcus.

Sie sind die kleinsten und am häufigsten vorkommenden photosynthetischen Zellen auf dem Planeten. Zuerst wussten wir nicht, was sie waren, also nannten wir sie „die kleinen Grünen”. Das war ein sehr liebevoller Name für sie. Schliesslich wussten wir genug über sie, um ihnen den Namen Prochlorococcus zu geben, was „primitive grüne Beere” bedeutet.

Und etwa zu dieser Zeit war ich so begeistert von diesen kleinen Zellen, dass ich mein gesamtes Labor darauf ausrichtete, nur noch sie zu untersuchen, und meine Treue zu ihnen hat sich wirklich ausgezahlt. Sie haben mir unglaublich viel gegeben, darunter auch, dass ich hierher gekommen bin.

Im Laufe der Jahre haben wir und viele andere Prochlorococcus in den Ozeanen untersucht und festgestellt, dass sie in weiten Teilen des offenen Ozean-Ökosystems sehr häufig vorkommen. Besonders reichlich sind sie in den sogenannten offenen Ozeanwirbeln vertreten. Diese werden manchmal als Wüsten der Ozeane bezeichnet, aber sie sind keineswegs Wüsten. Ihr tiefblaues Wasser wimmelt von hundert Millionen Prochlorococcus-Zellen pro Liter. Wenn man sie so dicht zusammenbringt, wie wir es in unseren Kulturen tun, kann man ihr wunderschönes grünes Chlorophyll sehen. 

Eines dieser Reagenzgläser enthält eine Milliarde Prochlorococcus, und wie ich Ihnen bereits gesagt habe, gibt es drei Billiarden davon auf dem Planeten. Das sind drei Oktillionen, falls Sie das umrechnen möchten. Zusammen wiegen sie mehr als die gesamte Menschheit und produzieren durch Photosynthese so viel Energie wie alle Nutzpflanzen an Land.

Sie sind unglaublich wichtig für die Weltmeere. Als wir sie über die Jahre hinweg untersuchten und feststellten, wie zahlreich sie waren, dachten wir: Hmm, das ist wirklich seltsam. Wie kann eine einzige Spezies in so vielen verschiedenen Lebensräumen so zahlreich vorkommen?

Als wir sie weiter in Kulturen isolierten, stellten wir fest, dass es sich um verschiedene Ökotypen handelt. Einige sind an die hohe Lichtintensität im Oberflächenwasser angepasst, andere an das schwache Licht in der Tiefsee. Tatsächlich sind die Zellen, die am Grund der sonnenbeschienenen Zone leben, die effizientesten Photosynthese-Zellen, die wir kennen.

Dann haben wir herausgefunden, dass es einige Stämme gibt, die optimal entlang des Äquators wachsen, wo die Temperaturen höher sind, und andere, die besser bei den kühleren Temperaturen im Norden und Süden gedeihen. Als wir diese immer weiter untersuchten und immer mehr Vielfalt entdeckten, dachten wir: Oh mein Gott, wie vielfältig sind diese Dinge?

Etwa zu dieser Zeit wurde es möglich, ihre Genome zu sequenzieren und wirklich unter die Haube zu schauen und ihre genetische Zusammensetzung zu untersuchen. Wir konnten die Genome unserer Kulturen sequenzieren, aber seit kurzem können wir mithilfe der Durchflusszytometrie auch einzelne Zellen aus der Natur isolieren und ihre individuellen Genome sequenzieren. Inzwischen haben wir Hunderte von Prochlorococcus sequenziert. 

Und obwohl jede Zelle etwa 2000 Gene hat – das ist ein Zehntel der Grösse des menschlichen Genoms –, stellt man bei der Sequenzierung fest, stellt man fest, dass sie nur tausend davon gemeinsam haben und die anderen tausend für jeden einzelnen Stamm aus einem riesigen Genpool stammen. Dies spiegelt die jeweilige Umgebung wider, in der die Zelle gedeihen konnte, nicht nur helles oder dunkles Licht oder hohe oder niedrige Temperaturen, sondern auch, ob es Nährstoffe gibt, die sie einschränken, wie Stickstoff, Phosphor oder Eisen. Es spiegelt den Lebensraum wider, aus dem sie stammen.

Stellen Sie sich das so vor: Wenn jede Zelle ein Smartphone ist und die Apps die Gene sind, dann sind diese Apps bereits vorinstalliert, wenn Sie Ihr Smartphone kaufen. Das sind diejenigen, die Sie nicht löschen können, wenn Sie ein iPhone-Nutzer sind. Sie drücken darauf, aber sie wackeln nicht und haben kein X. Selbst wenn Sie sie nicht wollen, können Sie sie nicht loswerden. Das sind sozusagen die Kerngene von Prochlorococcus. Sie sind das Wesentliche des Telefons. 

Aber Sie haben eine riesige Auswahl an Apps, aus denen Sie schöpfen können, um Ihr Telefon an Ihren individuellen Lebensstil und Ihre Umgebung anzupassen. Wenn Sie viel reisen, haben Sie viele Reise-Apps, wenn Sie sich für Finanzen interessieren, haben Sie vielleicht viele Finanz-Apps, oder wenn Sie wie ich sind, haben Sie wahrscheinlich viele Wetter-Apps, in der Hoffnung, dass eine davon Ihnen sagt, was Sie hören wollen. Und ich habe in den letzten Tagen in Vancouver gelernt, dass man keine Wetter-App braucht – man braucht nur einen Regenschirm. 

So wie Ihr Smartphone uns etwas über Ihr Leben und Ihren Lebensstil verrät, so verrät uns das Genom einer Prochlorococcus-Zelle etwas über die Belastungen in ihrer Umgebung. Es ist, als würde man ihr Tagebuch lesen, das uns nicht nur erzählt, wie sie ihren Tag oder ihre Woche verbracht hat, sondern sogar ihre Evolutionsgeschichte.

Wie wir untersucht haben – ich sagte, wir haben Hunderte dieser Zellen sequenziert und können nun die gesamte genetische Grösse – den Genpool – der Prochlorococcus-Föderation, wie wir sie nennen, prognostizieren. Es ist wie ein Superorganismus. Und es stellt sich heraus, dass die Prognosen besagen, dass das Kollektiv 80 000 Gene hat. Das ist viermal so viel wie das menschliche Genom. Und es ist diese Vielfalt des Genpools, die es ihnen ermöglicht, diese grossen Regionen der Ozeane zu dominieren und ihre Stabilität Jahr für Jahr aufrechtzuerhalten.

Wenn ich also über Prochlorococcus träume, was ich wahrscheinlich mehr tue, als gesund ist, stelle ich mir vor, wie sie dort draussen schwimmen, ihre Arbeit verrichten, den Planeten erhalten und die Tiere ernähren. Aber ich komme auch unweigerlich zu dem Schluss, dass sie ein Meisterwerk sind, fein abgestimmt durch Millionen von Jahren der Evolution.

Mit 2000 Genen können sie das tun, was wir Menschen mit all unserem Einfallsreichtum noch nicht herausgefunden haben. Sie können Sonnenenergie und CO2 in chemische Energie in Form von organischem Kohlenstoff umwandeln und das Sonnenlicht in diesen Kohlenstoffbindungen speichern. Wenn wir genau herausfinden könnten, wie sie das machen, könnte das zu Entwürfen inspirieren, die unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern könnten, womit sich der Kreis meiner Geschichte schliesst.

Die fossilen Brennstoffe, die wir verbrennen, wurden über Millionen von Jahren von der Erde begraben, darunter auch die Vorfahren von Prochlorococcus, und wir verbrennen sie jetzt in einem Augenblick, gemessen an geologischen Zeiträumen. Der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre steigt. Es ist ein Treibhausgas. Die Ozeane beginnen sich zu erwärmen.

Die Frage ist also: Was bedeutet das für meine Prochlorococcus? Sie erwarten sicher, dass ich sage, dass meine geliebten Mikroben dem Untergang geweiht sind, aber das ist nicht der Fall. Prognosen zufolge wird ihre Population bis zum Jahr 2100 um 30 Prozent wachsen, wenn sich die Ozeane erwärmen.

Macht mich das glücklich?

Nun, natürlich freue ich mich für Prochlorococcus – aber nicht für den Planeten. In diesem globalen Experiment, das wir unternommen haben, gibt es Gewinner und Verlierer, und es wird prognostiziert, dass zu den Verlierern einige der grösseren Phytoplanktonarten gehören werden, jene charismatischen Arten, deren Bestand voraussichtlich zurückgehen wird, und die diejenigen sind, die das Zooplankton ernähren, das wiederum die Fische ernährt, die wir gerne fangen.

Prochlorococcus ist also seit 35 Jahren meine Muse, aber es gibt noch unzählige andere Mikroben, die unseren Planeten für uns erhalten. Sie sind da draussen und warten darauf, dass wir sie finden, damit auch sie ihre Geschichten erzählen können.

Vielen Dank.