Ein Kuckucksuhr-Mechanismus regelt die Fortpflanzung von Kieselalgen

Einzellige Kieselalgen haben einen einzigartigen Lebenszyklus, der über tausende von Generationen andauert: Ihre Populationsgröße und die durchschnittliche Größe einzelner Zellen pendeln ständig zwischen zwei Extremen hin und her, was Erhebungen in Seen belegen. Bei der Vermehrung durch Zellteilung entstehen Tochterzellen, die jeweils kleiner als die ursprüngliche Zelle sind – bis die letzte Generation von Zellen so klein ist, dass sie sich nicht mehr teilen kann. Dann geht die Population zur sexuellen Fortpflanzung über. Bei der dann erfolgenden Verschmelzung zweier Keimzellen entstehen wieder größere Ausgangszellen. Somit beginnt der Zyklus von Neuem, die sogenannte Mehrgenerationenuhr ist wieder zurückgesetzt.

Nach diesem System würde jedoch nach mathematischen Grundlagen (dem sogenannten MacDonald-Pfitzer-Schema) die Populationsdynamik der Kieselalgen im Laufe der Zeit zwangsläufig zum Stillstand kommen: Sowohl die durchschnittliche Zell- als auch Populationsgröße würden sich bei einem gleichbleibenden Wert einpendeln. In der Realität ist das aber nicht der Fall. Jetzt aber konnten Nanowissenschaftler und Mathematiker der Universität Kassel durch systematische Erweiterung des zu Grunde liegenden mathematischen Modells zwei Taktgeber identifizieren, die den Stillstand des Zyklus verhindern. „So ähnelt die biologische Uhr von Kieselalgen dem Pendel einer Kuckucksuhr, das von Zeit zu Zeit aufgezogen werden muss“, beschreibt Prof. Fuhrmann-Lieker, Leiter des Forschungsprojekts.

„Erstens nehmen wir an, dass die durch sexuelle Vermehrung entstandenen Kieselalgen-Zellen jegliche Informationen über das Alter der Population verlieren. Die Mehrgenerationenuhr wird dann in unserem Modell auf null gesetzt“, so Prof. Fuhrmann-Lieker. Dieses Alterungsmodell entspreche am ehesten der Biologie der Zellen. Diese Bedingung hält den Zyklus über mehrere Zehntausend Generationen aufrecht. Erst dann bewegt er sich auf einen Gleichgewichtszustand zu. „Also können wir annehmen, dass die Populationsdynamik der Kieselalgen über Millionen von Generationen stabil bleibt“, ergänzt Nanowissenschaftler Jonas Ziebarth.

In der Realität bleibt aber kein biologisches System so lange ungestört. Dies führt zum zweiten, externen Taktgeber: der natürlichen Umgebung. Jede externe Störung, wie die periodische Änderungen von Lichtverhältnissen, Temperatur und die Verfügbarkeit von Nährstoffen im Laufe der Jahreszeiten oder das Auftreten von Räubern, beeinflusst das Fortpflanzungsverhalten der Kieselalgen. So reagiert die Population beispielsweise auf ein hohes Nahrungsangebot mit vermehrter Zellteilung und damit einem größeren Wachstum. Das ist jedoch ausreichend, um dem System neuen Schwung zu geben und die Oszillation beginnt von Neuem.

„Wir sehen hier typische sich aufsummierende Effekte: Die Fortpflanzung der Kieselalgen auf einer Nanoskala mit internem Zeitgeber beeinflusst die gesamte Populationsdynamik und an der Basis der Nahrungspyramide letztendlich auch den natürlichen Kohlenstoffkreislauf“, betont Prof. Fuhrmann-Lieker. Kieselalgen produzieren einen wesentlichen Anteil des Sauerstoffs in der Atmosphäre und binden 20-25% des gesamten Kohlenstoffs auf der Erde. Obwohl Kieselalgen winzige Einzeller sind, ermöglichen es diese Modellierungen ihrer Populationsdynamik, auch komplexe globale Ökosysteme besser zu verstehen.

Die Forschungsergebnisse werden künftig im neuen DFG-Graduiertenkolleg „Multiscale Clocks“ der Uni Kassel experimentell überprüft. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Kollegs untersuchen insbesondere die Synchronisation von verschieden schnellen Zeitgebern in Zellen.

Kontakt:

apl. Prof. Dr. Thomas Fuhrmann-Lieker
Fachbereich 10 - Naturwissenschaften & Mathematik
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