Algenblüte im Wüstensand

Chlorella ohadii trotzt Sonne und Trockenheit

Trockenheit, Hitze, gleißende Sonne. Eine Wüste ist ein Lebensraum der Extreme. Wenn eine Pflanze hier überleben will, muss sie ganz schön was aushalten – erst recht, wenn sie eine Alge ist. Haim Treves untersucht zusammen mit Mark Stitt und seinem Team am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie im Potsdamer Ortsteil Golm, wie sich die Alge Chlorella ohadii an die extremen Lebensbedingungen der Wüste angepasst hat.

Grenzregion zwischen Ägypten (links) sowie Gaza und Israel (rechts). Der Unterschied in den Schattierungen des Geländes in den nicht bebauten Gebieten spiegelt Veränderungen des Wüstenbodens auf der ägyptischen Seite wider. Die Grenze ist dadurch eine der wenigen, die sogar aus dem Weltraum sichtbar sind.

Text: Klaus Wilhelm

Chlorella ohadii ist eine einzellige Grünalge, benannt nach ihrem Entdecker, dem 2016 gestorbenen Biochemiker Itzhak Ohad, Treves' langjährigem Mentor und Freund. Ohad war der erste, der Chlorella ohadii isolierte und untersuchte, und er hat fundamentale Erkenntnisse über die Fotosynthese gewonnen. Zehn Jahre ist es mittlerweile her, dass Haim Treves als Doktorand an der Hebrew University in Jerusalem regelmäßig in der Wüste unterwegs war. Von seinen Exkursionen in die israelische  Negev brachte der junge Wissenschaftler Proben der hauchdünnen Sandkruste mit, die den Wüstenboden bedeckt. „In küstenfernen Gebieten der Negev hat die Kruste die Konsistenz von Cornflakes. Sie zerbricht mit einem sanft-krachenden Geräusch, wenn man darauf tritt. An der Küste, wo die Luft feuchter ist, fühlt sie sich eher an, als trete man auf einen Schwamm“, beschreibt Treves.

Die Kruste erscheint völlig leblos, tatsächlich beherbergt sie aber eine einzigartige Lebensgemeinschaft aus Mikroorganismen. Zum Beispiel Cyanobakterien – früher als „Blaualgen“ bezeichnete Bakterien, von denen viele Fotosynthese betreiben und ihre Energie aus dem Licht der Sonne erhalten. Diese Bakterien wollten Treves und seine Kollegen im Labor aus der Sandkruste isolieren und züchten. Jedes Mal tauchten jedoch in den Zellkulturen nach kurzer Zeit winzige grüne Punkte auf. „Wir haben natürlich zuerst gedacht, wir hätten nicht sauber genug gearbeitet und unsere Proben verunreinigt,“ erzählt der Biologe. Aber sie konnten die grünen Punkte einfach nicht loswerden. Schließlich überzeugte Itzhak Ohad Treves davon, der Sache auf den Grund zu gehen. "Ich bin ihm wirklich zu großem Dank verpflichtet, und es macht mich sehr glücklich, dass sein Vermächtnis im Namen dieser Alge weiterlebt."

Treves identifizierte die Punkte als Kolonien der Grünalge Chlorella ohadii. Schnell erkannte er die ungewöhnlichen Fähigkeiten der Alge: Nicht nur, dass sie extremer Sonnenstrahlung mühelos trotzte – Chlorella ohadii wuchs sogar immer schneller, je mehr Licht die Forschenden auf sie einstrahlten. Selbst bei viermal so hoher Lichtintensität wie in der Wüste wuchs die Alge weiter. „Wieder haben wir den Fehler bei uns vermutet und geglaubt, unsere Messgeräte seien kaputt“, berichtet Treves. Aber es lag nicht an den Geräten, sondern an Chlorella ohadii selbst: Der Einzeller kommt nicht nur in einem der extremsten Lebensräume der Erde zurecht, er ist auch einer der am schnellsten wachsenden Organismen überhaupt.

Wechsel ans Max-Planck-Institut

Von der Entdeckung war auch Mark Stitt fasziniert. Der frühere Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie erforscht mit Hilfe modernster Technik die Fotosynthese. Er nutzt dafür wie die meisten seiner Kollegen Modellorganismen, zum Beispiel Ackerschmalwand (Arabidopis thaliana), Spinat, Kartoffel oder Tomate, denn das Erbgut dieser Pflanzen ist entschlüsselt, und viele ihrer Stoffwechselwege sind bekannt. „Manchmal lohnt es sich aber, vertrautes Terrain zu verlassen, denn durch die Fokussierung auf einige wenige Arten übersieht man leicht, wie unterschiedlich sich Pflanzen an die Umwelt anpassen können. Und gerade unter Extrembedingungen entwickeln sich manchmal völlig unerwartete Fähigkeiten“, sagt Mark Stitt. So war es nur folgerichtig, dass Treves nach seiner Doktorarbeit ans Max-Planck-Institut in Golm wechselte, um Chlorella ohadii weiter zu erforschen.

Das Leben der Alge ist geprägt von Extremen: Tagsüber wird es bis zu 60 Grad heiß, Sonne und Hitze trocknen den Boden komplett aus. Nachts wiederum kann es Frost geben. Im Morgengrauen schlägt sich die wenige Feuchtigkeit der Luft als Tau auf dem Boden nieder. Nur für kurze Zeit nach Sonnenaufgang gibt es deshalb gerade so viel Wasser und Licht, wie Chlorella braucht, bevor wieder von dem einen zu wenig und von dem anderen zu viel vorhanden ist.  

Vor allem die Fotosynthese der Alge ist optimal an solche Bedingungen angepasst. Eine wichtige Rolle bei der Umwandlung der Energie der Sonne in chemische Energie spielen Elektronen. Jedes Photon, das von den Chlorophyll-Molekülen absorbiert wird, hebt ein Elektron in einen höheren Energiezustand. Diese energiereichen Elektronen liefern die Energie, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoffatome zu "spalten". In der Wüste ist die Strahlung aber zu stark. „Dann kommt es im Fotosyntheseapparat zu einer zerstörerischen Überladung, einer Art Kurzschluss“, erklärt Stitt. Außerdem kann bei hoher Lichtintensität sogenannter Singulett-Sauerstoff entstehen – eine hochreaktive Form des Sauerstoffs, die den Fotosyntheseapparat schädigt.

Zu viel Sonne

Das Elektronenmikroskop enthüllt die Details des Fotosynthese-Apparats von Chlorella ohadii. Einen großen Teil der Zelle füllt der Chloroplast aus. Seine aufeinandergestapelten Membranen machen die Fotosynthese besonders effektiv. Dazu dient auch das sogenannte Pyrenoid (Mitte). In ihm wird das für die Fotosynthese benötigte Kohlendioxid und ein Schlüsselenzym angereichert. Das Pyrenoid ist von einer hell erscheinenden Schicht aus Stärke umgeben.

Starke Sonneneinstrahlung führt ab einem bestimmten Punkt also nicht zu einer höheren Fotosyntheseleistung. Sie stagniert vielmehr, bei zunehmender Strahlung nimmt sie sogar ab. Trockenheit verstärkt den Effekt noch, weil dadurch die Lichtenergie schlechter eingesetzt werden kann, um Kohlendioxid zu fixieren.

Die Forschenden haben herausgefunden, dass Chlorella ohadii als Schutz vor einem Kurzschluss verschiedene, teils einzigartige Mechanismen entwickelt hat. So stellt die Alge sehr schnell ein Gleichgewicht zwischen Oxidations- und Reduktionsreaktionen her. Ohne dieses Gleichgewicht würden sich die Elektronen anhäufen. „Wie ein Auto, das in einen höheren Gangs schaltet, wenn es steil bergab geht, verhindert die Alge so Schäden am Fotosynthesesystem“, sagt Haim Treves. Bei Chlorella fließen die Elektronen während der Fotosynthese zudem in einem geschlossenen Kreislauf, denn unter den Extrembedingungen der Wüste kann nur ein Kreislaufsystem einen Überschuss an energiereichen Elektronen verhindern. Ansonsten würden die Elektronen wie Autos in einem Stau feststecken, einige gar zurückfließen. Außerdem produziert sie Enzyme, die den zerstörerischen Singulett-Sauerstoff unschädlich machen.

Die Untersuchungen der Max-Planck-Forscher ergaben darüber hinaus, dass Chlorella bereits bei wenig Licht effektiv Fotosynthese betreiben kann. Die Alge verwendet dabei dieselben „Tricks“ wie für den Umgang mit hohen Lichtintensitäten. Wenn die Sonneneinstrahlung steigt, kann sie so ihre Fotosyntheseleistung schnell erhöhen und 60-mal mehr Stärke produzieren als unter schwachem Licht. „Die Wachstumsrate der Alge steigt binnen Minuten – als ob ein Turbo eingeschaltet wurde“, so Treves.

Lebensgemeinschaft im Wüstenboden

Eine rund zwei Millimeter dünne Schicht bedeckt den Wüstenboden. Über viele Jahrzehnte hinweg haben Mikroorganismen Kohlenhydrate produziert, die mit dem Sand zu einer Cornflake-artigen Kruste verbacken sind. Diese speichert Wasser besser als reiner Sand und schützt den Boden vor Erosion und völliger Austrocknung.

Aber all diese Anpassungen wären nicht genug, gäbe es in der Negev-Wüste nicht noch einen ganz besonderen Lebensraum, der der Alge zusammen mit Bakterien und Pilzen das Überleben unter widrigsten Bedingungen ermöglicht: die zwei Millimeter dicke Kruste auf dem Wüstenboden. Sie entsteht, wenn sich die Pioniere der Wüste an der Oberfläche der Sandschicht ansiedeln, die Cyanobakterien. Über viele Jahre hinweg produzieren sie große Mengen Kohlenhydrate, die eine Gel-artige Masse bilden. Zusammen mit den Sandkörnern entsteht so im trockenen Zustand eine Kruste. Wenn Wasser in Form von Tau oder – ganz selten – als Regen den Boden benetzt, kann das Gel die Feuchtigkeit besser speichern. Außerdem trocknet es langsamer aus als reiner Sand. So kann die Kruste den in ihr lebenden Mikroorganismen mehr Wasser zur Verfügung stellen. Erst wenn im Tagesverlauf mehr als die Hälfte des Wassers verdunstet ist, stellen die Mikroben ihre Aktivität vorübergehend ein.

Cyanobakterien der Gattung Leptolyngbya bilden unverzweigte Ketten. Sie kommen in so unterschiedlichen Lebensräumen wie Thermalquellen, der Antarktis oder Wüsten vor. In der Negev-Wüste leben die Einzeller in der Kruste, die den Wüstenboden bedeckt.

Dass die Kruste die Lebensgemeinschaft tatsächlich vor dem Vertrocknen bewahrt, konnte Haim Treves bei Laborversuchen zeigen: Zusammen überleben Cyanobakterien und Chlorella die Trockenheit, wie sie für die Wüste typisch ist. Alleine dagegen stirbt die Alge. Forschende haben sogar Hinweise darauf gefunden, dass sich die Organismen der Kruste auf die tägliche Austrocknung vorbereiten: Schon vor Sonnenaufgang produzieren die Zellen Substanzen, die ihnen dabei helfen, in der folgenden Nacht aus dem Trockenzustand aufzuwachen.

Treves‘ Mentor Itzhak Ohad und sein Team haben unter dem Mikroskop weitere faszinierende Phänomene beobachtet. So bilden die Cyanobakterien senkrechte Röhrchen, in denen sie zum Licht hin wandern können. „Wenn wir ein Stück Kruste im Labor in eine Petrischale legen und Wasser darauf sprühen, kommen die Bakterien an die Oberfläche und bilden dort eine grüne Schicht. Ein andermal erscheint die Kruste schwarz, wenn sich die Bakterien mit eigens produzierten Sonnenschutzfaktoren abschirmen“, sagt Treves. Von diesem Lichtschutz profitieren auch Chlorella und die anderen Mikroorganismen der Kruste. Ohne die Cyanobakterien könnte die Alge also nicht überleben. Überhaupt scheinen die Bakterien die heimlichen Herrschers dieses Ökosystems zu sein. Sind die Ressourcen einmal besonders knapp, können sie das Wachstum der Algen sogar komplett stoppen.

Blumen in der Wüste

Grenze zwischen Israel (Vordergrund) und Ägypten. Während auf der israelischen Seite der Negev-Wüste im Frühling Blumen blühen, ist der ägyptische Teil weitgehend vegetationslos und von Sand bedeckt – eine Folge der Zerstörung der Bodenkruste durch Fahrzeuge und Überweidung.

Wie wichtig die ökologische Funktion der Bodenkruste ist, sieht man an der israelisch-ägyptischen Grenze. Auf der ägyptischen Seite dominieren Reifenspuren und andere Anzeichen menschlichen Einflusses das Bild. Da die Kruste weitgehend zerstört ist, konnte sich auf dieser Seite der Grenze eine Sandwüste ausbreiten. Die israelische Negev dagegen ist militärisches Sperrgebiet und darf von Unbefugten nicht betreten werden. Die Kruste ist daher größtenteils noch intakt. Was das bedeutet, zeigt sich nach den seltenen Regenfällen in der Wüste: Die ägyptische Negev bleibt braun, die israelische hingegen blüht auf und wird für kurze Zeit zum Blütenmeer. „Die Kruste verhindert die Ausbreitung des Sandes. So können dort nach dem Regen Pflanzen gedeihen“, erklärt Treves.

Die chinesische Regierung hat die stabilisierende Wirkung der Kruste auf die Stabilität von Sanddünen und die Bodenfruchtbarkeit erkannt. Forschende des Landes haben Dünen mit Cyanobakterien geimpft und künstlich bewässert. Auf diese Weise soll sich eine Sandkruste und schließlich landwirtschaftlich nutzbarer Boden bilden. Ob solche Maßnahmen erfolgreich sein werden, wird sich zeigen. Treves verfolgt einen anderen Ansatz, damit Nutzpflanzen in trockenen und halb-trockenen Regionen besser wachsen. Seiner Ansicht nach ist Chlorella ohadii selbst der Schlüssel: „Wenn wir verstehen, was sie so widerstandsfähig gegenüber Trockenheit und hoher Strahlung macht und wie sie so rasant wachsen kann, können wir auch andere Pflanzen mit solchen Fähigkeiten ausstatten“, sagt Treves.

Vielleicht besitzt die winzige Grünalge also einen Schlüssel für das Leben auf einer sich erhitzenden Erde. Es wäre nicht das erste Mal, dass sich ein vermeintlicher Messfehler im Nachhinein als eine wichtige wissenschaftliche Entdeckung herausgestellt hätte.

Auf den Punkt gebracht:

  • Die Grünalge Chlorella ohadii trotzt im Boden der Negev-Wüste extremer Trockenheit und Sonnenstrahlung. Gegen die grelle Sonne schützt sie ihren Fotosyntheseapparat mit verschiedenen Anpassungen. Vor dem Austrocknen bewahrt sie eine wenige Millimeter dünne Kruste auf der Bodenoberfläche. Bakterien bilden durch die Ausscheidung von Kohlenhydraten eine Gel-artige Schicht, die das Wasser besser speichern kann als Sand.
  • Forschende wollen die Eigenschaften der Alge nutzen, damit Nutzpflanzen auch bei hohen Strahlungsintensitäten effektiv Fotosynthese betreiben können.

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