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Using Nannofossil Chemistry to constrain the cellular response of marine phytoplankton to changing carbon dioxide concentrations in the surface ocean

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Der Einfluss von atmosphärischem CO2 auf Coccolithophoriden

Ein EU-finanziertes Projekt liefert wichtige Erkenntnisse zur Bedeutung historischer CO2-Werte für die Physiologie, die Ökologie und das Wachstum des Phytoplanktons Coccolithophoriden.

Klimawandel und Umwelt icon Klimawandel und Umwelt

Coccolithophoriden sind einzellige, frei schwimmende Algen, die im oberflächennahen Wasser der Meere leben. Durch ihre Photosynthese und Kalzifizierung spielen sie eine wichtige Doppelrolle im weltweiten Kohlenstoffkreislauf. „Coccolithophoriden sind eine hervorragende Untersuchungsgruppe für Veränderungen in den Meeressystemen über Tausende bis Millionen von Jahren, da ihre Coccolithen als unzählige Fossilien in vielen urzeitlichen Meeressedimenten zu finden sind“, erklärt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Mariem Saavedra-Pellitero. Das EU-finanzierte und im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderte Projekt NannoChem untersuchte, ob die Entwicklung und die Ökologie der Coccolithophoriden durch Veränderungen des CO2-Gehalts in der Atmosphäre in der Vergangenheit beeinflusst wurden. „Obwohl wir uns über den CO2-Gehalt in der Atmosphäre und dessen Auswirkungen auf das Klima Sorgen machen, ist CO2 für „Coccolithophoriden fast wie ein Nährstoff – eine wichtige Kohlenstoffquelle für ihre Kalzifizierungs- und Photosyntheseprozesse“, so Saavedra-Pellitero weiter.

Veränderungen der CO2-Konzentrationen an der Meeresoberfläche

Einige Studien deuten darauf hin, dass die Verfügbarkeit von CO2 im Oberflächenwasser des Ozeans die Entwicklung der Zellgröße und der Kalzifizierungsrate von Coccolithophoriden maßgeblich beeinflusst, wobei sich unter niedrigeren CO2-Bedingungen kleinere Zellen und Coccolithen entwickeln. „Sollte sich dies bestätigen, hat dies enorme Auswirkungen auf ihre Reaktion bei einem hohen CO2-Gehalt zukünftiger Ozeane. Und in Anbetracht des gegenwärtigen Zustroms von anthropogenem CO2 in die Meeresoberfläche ist dies sogar für die Gegenwart relevant“, betont Saavedra-Pellitero. NannoChem wollte diese Hypothese testen, indem es eine Reihe von Aufzeichnungen über die Chemie der Coccolithen (Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope; δ13C und δ18O), die Zellgröße und die Kalzifizierung über einen langen Zeitraum erstellte: die vergangenen acht Millionen Jahre. Diese Aufzeichnungen stammen aus Sedimentkernen, die aus einem Bohrloch im äquatorialen Ostindischen Ozean während der „International Ocean Discovery Program Expedition 363“ gewonnen wurden.

Ein einzigartiger Datensatz von Multi-Proxy-Aufzeichnungen der Chemie von Coccolithophoriden

„NannoChem lieferte eine Reihe hervorragender Aufzeichnungen über die Planktonentwicklung in den letzten acht Millionen Jahren, aus denen die Bedeutung vergangener CO2-Konzentrationen für die Physiologie, die Ökologie und das Wachstum des Phytoplanktons ersichtlich wird“, unterstreicht Saavedra-Pellitero. Diese Aufzeichnungen zeigen, dass sich die zelluläre Nutzung des Kohlenstoffs veränderte und mit dem Rückgang der atmosphärischen CO2-Konzentrationen eine Verlagerung von der Kalzifizierung zur Photosynthese erfolgte. „Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass die Chemie der fossilen Coccolithen sowohl von der äußeren Chemie der Ozeane zur Zeit ihrer Entstehung als auch von der die Coccolithen erzeugenden Zellgröße der Coccolithophoriden und deren jeweiliger Artengruppe abhängt“, fährt Saavedra-Pellitero fort. Als sich beispielsweise vor etwa vier Millionen Jahren, im Pleiozän, größere Zellen entwickelten und verbreiteten, gerieten diese unter eine stärkere Kohlenstoffbegrenzung, da die Aufnahme von Kohlenstoff durch Diffusion über die Zellwände in größeren Zellen weniger effizient ist. „Diese Einschränkung hat dann möglicherweise die Evolution einer viel kleineren Gruppe von Arten mit einer effizienteren Kohlenstoffaufnahme vorangetrieben, welche die modernen Gemeinschaften von Coccolithophoriden dominieren“, fügt Saavedra-Pellitero hinzu. Es ist offensichtlich, dass die heutigen Lebensgemeinschaften in hohem Maße an die relativ kalten und niedrigen CO2-Konzentrationen des jüngsten Gletscherklimas angepasst sind. „Meines Erachtens sind weitere Arbeiten erforderlich, um die Kohlenstoffparameter in Modellen der globalen Ozeanchemie besser einzugrenzen, was sich direkt auf unser Verständnis darüber auswirken wird, wie sich diese Chemie in den Meeren mit höherem CO2-Gehalt künftig verändern wird“, schließt Saavedra-Pellitero. In diesem Sinne wird die Stipendiatin weiterhin mit dem starken wissenschaftlichen Netzwerk zusammenarbeiten, das im Rahmen des Projekts entstanden ist.

Schlüsselbegriffe

NannoChem, Coccolithophoriden, Kalzifizierung, Coccolithen, atmosphärisches CO2, Photosynthese, Meeresoberfläche, Phytoplankton

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