Pluteuslarven des grünen Seeigels Strongylocentrotus droebachiensis sind winzige, etwa 0,3 Millimeter lange „Fressmaschinen“, die sich im Plankton mehrere Wochen lang von Algen ernähren, bevor sie dann eine Metamorphose durchlaufen und ihr Leben am Meeresboden beginnen. Ihr durchsichtiger Körper wird dabei von dünnen Skelettelementen gestützt. Diese sogenannten Spikel bestehen aus Kalziumkarbonat und werden von speziellen Zellen gebildet. Seit kurzem ist bekannt, dass Pluteuslarven in versauertem Meerwasser langsamer wachsen und einen höheren Energieverbrauch aufweisen. Eine längere Entwicklungsdauer erhöht jedoch das Risiko, von den zahlreich vorhandenen Räubern im offenen Ozean gefressen zu werden.
Energie für Wachstum fehlt
Im Rahmen des BMBF Verbundprojektes BIOACID haben Forscher des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel und des Exzellenzclusters „Ozean der Zukunft“ an der Christian-Albrechts Universität zu Kiel (CAU) untersucht, welche Mechanismen zu dieser Wachstumsverlangsamung führen. Unter Zuhilfenahme von Methoden, die für die Erforschung von Säugetiernieren entwickelt worden sind, konnten die Wissenschaftler zeigen, dass Pluteuslarven generell nicht in der Lage sind, den pH-Wert in ihrer Leibeshöhle zu kontrollieren. Diese Messungen wurden mit winzigen, nur zwei Micrometer dünnen pH-Elektroden durchgeführt. Im Gegensatz dazu konnten Messungen mit pH sensitiven Farbstoffen zeigen, dass die Zellen im Körper der Larven ihren internen pH-Wert auch bei Versauerungsstress sehr gut unter Kontrolle halten können. Das ist wichtig, denn die ersten Skelettelemente werden innerhalb der Zelle gebildet – ein Prozess, der nur unter sehr konstanten Umweltbedingungen funktioniert. Änderungen im pH-Gradienten zwischen den kalzifizierenden Zellen und der Leibeshöhle könnten einer der Gründe für die beobachtete Reduktion von Wachstum und Kalzifizierung in einer versauerten Meeresumwelt darstellen. Es muss unter diesen Bedingungen nämlich mehr Energie für die Kontrolle des pH-Wertes in den kalzifizierenden Zellen aufgewandt werden. Diese Energie fehlt dann für Wachstumsprozesse.
Humanmediziner und Meeresbiologen arbeiten zusmmen
„Wir benötigen noch weitere Studien zur Zellbiologie von Kalzifizierungsprozessen, um die Mechanismen der Sensitivität besser zu verstehen“, erläutert Prof. Dr. Frank Melzner, Leiter der Arbeitsgruppe Ökophysiologie am GEOMAR. „Die pH-Regulationsmöglichkeiten von winzigen Larvalstadien können nur mit ausgeklügelten optischen und elektrischen Methoden erforscht werden“, so Melzner weiter. „Deswegen ist die Kooperation mit den Humanphysiologen an der medizinischen Fakultät auch so wichtig, denn dort sind über Jahrzehnte hinweg Methoden erarbeitet worden, die für uns Meeresbiologen sehr nützlich sind“. Prof. Dr. Markus Bleich, Direktor des Physiologischen Instituts der Kieler Universität, bestätigt dies: „Wir konnten erstmals Techniken, die wir seit langem erfolgreich bei der Erforschung von Säugetieren anwenden, auf Zellprozesse von Seeigellarven übertragen. Die interdisziplinäre Forschung im Rahmen der meereswissenschaftlichen Verbundprojekte BIOACID und ‚Ozean der Zukunft‘ ermöglicht uns, Störungen des inneren Milieus einer Zelle von unterschiedlichen Organismen zu untersuchen. Damit können wir physiologische Prozesse besser verstehen, die notwendig sind, um lebenswichtige Funktionen aufrechtzuerhalten.“
Energie für Wachstum fehlt
Im Rahmen des BMBF Verbundprojektes BIOACID haben Forscher des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel und des Exzellenzclusters „Ozean der Zukunft“ an der Christian-Albrechts Universität zu Kiel (CAU) untersucht, welche Mechanismen zu dieser Wachstumsverlangsamung führen. Unter Zuhilfenahme von Methoden, die für die Erforschung von Säugetiernieren entwickelt worden sind, konnten die Wissenschaftler zeigen, dass Pluteuslarven generell nicht in der Lage sind, den pH-Wert in ihrer Leibeshöhle zu kontrollieren. Diese Messungen wurden mit winzigen, nur zwei Micrometer dünnen pH-Elektroden durchgeführt. Im Gegensatz dazu konnten Messungen mit pH sensitiven Farbstoffen zeigen, dass die Zellen im Körper der Larven ihren internen pH-Wert auch bei Versauerungsstress sehr gut unter Kontrolle halten können. Das ist wichtig, denn die ersten Skelettelemente werden innerhalb der Zelle gebildet – ein Prozess, der nur unter sehr konstanten Umweltbedingungen funktioniert. Änderungen im pH-Gradienten zwischen den kalzifizierenden Zellen und der Leibeshöhle könnten einer der Gründe für die beobachtete Reduktion von Wachstum und Kalzifizierung in einer versauerten Meeresumwelt darstellen. Es muss unter diesen Bedingungen nämlich mehr Energie für die Kontrolle des pH-Wertes in den kalzifizierenden Zellen aufgewandt werden. Diese Energie fehlt dann für Wachstumsprozesse.
Humanmediziner und Meeresbiologen arbeiten zusmmen
„Wir benötigen noch weitere Studien zur Zellbiologie von Kalzifizierungsprozessen, um die Mechanismen der Sensitivität besser zu verstehen“, erläutert Prof. Dr. Frank Melzner, Leiter der Arbeitsgruppe Ökophysiologie am GEOMAR. „Die pH-Regulationsmöglichkeiten von winzigen Larvalstadien können nur mit ausgeklügelten optischen und elektrischen Methoden erforscht werden“, so Melzner weiter. „Deswegen ist die Kooperation mit den Humanphysiologen an der medizinischen Fakultät auch so wichtig, denn dort sind über Jahrzehnte hinweg Methoden erarbeitet worden, die für uns Meeresbiologen sehr nützlich sind“. Prof. Dr. Markus Bleich, Direktor des Physiologischen Instituts der Kieler Universität, bestätigt dies: „Wir konnten erstmals Techniken, die wir seit langem erfolgreich bei der Erforschung von Säugetieren anwenden, auf Zellprozesse von Seeigellarven übertragen. Die interdisziplinäre Forschung im Rahmen der meereswissenschaftlichen Verbundprojekte BIOACID und ‚Ozean der Zukunft‘ ermöglicht uns, Störungen des inneren Milieus einer Zelle von unterschiedlichen Organismen zu untersuchen. Damit können wir physiologische Prozesse besser verstehen, die notwendig sind, um lebenswichtige Funktionen aufrechtzuerhalten.“
Die Co-Erstautoren der Studie, Dr. Meike Stumpp und Dr. Marian Hu, ehemalige Doktoranden am GEOMAR beziehungsweise Assistenten an der CAU, absolvieren derzeit einen einjährigen Postdoc-Aufenthalt an der Universität Göteborg. Dort setzen sie ihre Arbeiten an Seeigellarven fort. Erste Ergebnisse lassen weitere fundamentale Erkenntnisse zur Physiologie von Seeigellarven vermuten. „Diese Studien zeigen, dass unser Verständnis der Funktionsweisen von frühen Lebensstadien selbst der gewöhnlichsten Meeresorganismen noch in den Kinderschuhen steckt – aufregende Zeiten für die interdisziplinäre Meeresforschung“, resümiert Prof. Melzner. Weitere Infos findet ihr auf www.futureocean.org