Eisalgen - Ice algae

Eisalgen sind eine der verschiedenen Arten von Algengemeinschaften , die im ein- und mehrjährigen Meer- oder Erdeis vorkommen. Auf dem Meereis der Polarmeere spielen Eisalgengemeinschaften eine wichtige Rolle in der Primärproduktion . Der Zeitpunkt der Blüte der Algen ist besonders wichtig für eine höhere Unterstützung Trophieebenen in Zeiten des Jahres , wenn das Licht niedrig ist und Eisdecke noch existiert. Meereisalgengemeinschaften sind meist in der unteren Eisschicht konzentriert, können aber auch in Solekanälen im Eis, in Schmelzteichen und an der Oberfläche vorkommen.

Da terrestrische Eisalgen in Süßwassersystemen vorkommen, unterscheidet sich die Artenzusammensetzung stark von der der Meereisalgen. Diese Gemeinschaften sind insofern von Bedeutung, als sie oft die Farbe von Gletschern und Eisschilden ändern, was sich auf das Reflexionsvermögen des Eises selbst auswirkt .

Meereisalgen

Anpassung an die Meereisumgebung

Das mikrobielle Leben im Meereis ist äußerst vielfältig und umfasst reichlich Algen, Bakterien und Protozoen. Insbesondere Algen dominieren die sympagische Umgebung, wobei Schätzungen von mehr als 1000 einzelligen Eukaryoten zufolge mit Meereis in der Arktis assoziiert werden. Die Zusammensetzung und Vielfalt der Arten variiert je nach Standort, Eistyp und Einstrahlung . Im Allgemeinen sind gefiederte Kieselalgen wie Nitschia frigida (in der Arktis) und Fragilariopsis cylindrus (in der Antarktis) reichlich vorhanden. Auch Melosira arctica , die bis zu meterlange Fäden bildet, die am Eisboden befestigt sind, sind in der Arktis weit verbreitet und eine wichtige Nahrungsquelle für Meeresbewohner.

Während Meereisalgengemeinschaften in der gesamten Meereissäule vorkommen, hängen die Häufigkeit und die Zusammensetzung der Gemeinschaft von der Jahreszeit ab. Algen stehen viele Mikrohabitate auf und im Meereis zur Verfügung, und verschiedene Algengruppen haben unterschiedliche Vorlieben. Im späten Winter/frühen Frühling wurde beispielsweise festgestellt , dass bewegliche Kieselalgen wie N. frigida die obersten Schichten des Eises dominieren, soweit die Salzkanäle reichen, und ihre Häufigkeit ist in mehrjährigem Eis (MYI) größer als in Eis im ersten Jahr (FYI). Darüber hinaus wurde auch festgestellt, dass Dinoflagellaten im frühen Australfrühling im antarktischen Meereis dominieren.

Meereis Algengemeinschaften gedeihen können auch an der Oberfläche des Eises in den Oberflächen Teiche schmelzen und in Schichten , in denen Rafting aufgetreten ist . In Schmelzteichen können dominante Algenarten mit dem Salzgehalt des Teichs variieren, wobei in Schmelzteichen mit höherem Salzgehalt höhere Konzentrationen an Kieselalgen gefunden werden. Aufgrund ihrer Anpassung an schwache Lichtverhältnisse wird das Vorkommen von Eisalgen (insbesondere vertikale Position im Packeis) vor allem durch die Nährstoffverfügbarkeit eingeschränkt. Die höchsten Konzentrationen finden sich am Fuß des Eises, da die Porosität dieses Eises die Nährstoffinfiltration aus dem Meerwasser ermöglicht.

Um in der rauen Meereisumgebung zu überleben, müssen Organismen in der Lage sein, extreme Schwankungen des Salzgehalts, der Temperatur und der Sonneneinstrahlung zu ertragen. Algen, die in Solekanälen leben, können Osmolyte wie Dimethylsulfoniopropionat (DMSP) absondern , wodurch sie den hohen Salzgehalt in den Kanälen nach der Eisbildung im Winter sowie niedrige Salzgehalte, wenn das relativ frische Schmelzwasser die Kanäle im Frühjahr spült, überleben können und Sommer.

Schnee an der Oberfläche reduziert die Lichtverfügbarkeit in bestimmten Bereichen und damit die Wachstumsfähigkeit von Algen

Einige Meereisalgenarten sezernieren eisbindende Proteine ​​(IBP) als gelatinöse extrazelluläre polymere Substanz (EPS), um Zellmembranen vor Schäden durch Eiskristallwachstum und Frost-Tau-Zyklen zu schützen. EPS verändert die Mikrostruktur des Eises und schafft weiteren Lebensraum für zukünftige Blüten. Oberflächenbewohnende Algen produzieren spezielle Pigmente, um Schäden durch starke ultraviolette Strahlung zu verhindern . Höhere Konzentrationen von Xanthophyll- Pigmenten wirken als Sonnenschutz, der Eisalgen vor Lichtschäden schützt, wenn sie im Frühjahr beim Übergang vom Eis in die Wassersäule schädlicher ultravioletter Strahlung ausgesetzt sind. Es wurde berichtet, dass Algen unter dickem Eis einige der extremsten Anpassungen bei schwachem Licht zeigen, die jemals beobachtet wurden. Die extreme Effizienz bei der Lichtnutzung ermöglicht es Meereisalgen, schnell Biomasse aufzubauen, wenn sich die Lichtverhältnisse zu Beginn des Frühlings verbessern.

Rolle im Ökosystem

Eisalgen spielen eine entscheidende Rolle bei der Primärproduktion und dienen als Basis des polaren Nahrungsnetzes, indem sie Kohlendioxid und anorganische Nährstoffe durch Photosynthese im oberen Ozean der Arktis und Antarktis in Sauerstoff und organisches Material umwandeln. Innerhalb der Arktis reichen Schätzungen des Beitrags von Meereisalgen zur gesamten Primärproduktion von 3-25%, bis zu 50-57% in hocharktischen Regionen. Meereisalgen sammeln schnell Biomasse an, oft an der Basis des Meereises, und wachsen zu Algenmatten , die von Flohkrebsen wie Krill und Copepoden verzehrt werden . Letztendlich werden diese Organismen von Fischen, Walen, Pinguinen und Delfinen gefressen. Wenn sich Meereis-Algengemeinschaften vom Meereis lösen, werden sie von pelagischen Grasfressern wie Zooplankton verzehrt, wenn sie durch die Wassersäule sinken, und von benthischen Wirbellosen, wenn sie sich auf dem Meeresboden niederlassen. Meereisalgen als Nahrung sind reich an mehrfach ungesättigten und anderen essentiellen Fettsäuren und sind der ausschließliche Produzent bestimmter essentieller Omega-3-Fettsäuren , die für die Eierproduktion von Copepoden , das Schlüpfen von Eiern und das Wachstum und die Funktion von Zooplankton wichtig sind .

Die Unterseite des Packeises in der Antarktis grün gefärbt - Antarktischer Krill kratzt die Eisalgen ab

Zeitliche Variation

Der Zeitpunkt der Meereisalgenblüte hat einen erheblichen Einfluss auf das gesamte Ökosystem. Der Beginn der Blüte wird hauptsächlich durch die Rückkehr der Sonne im Frühjahr (dh den Sonnenwinkel) gesteuert. Aus diesem Grund treten Eisalgenblüten normalerweise vor den Blüten des pelagischen Phytoplanktons auf , die höhere Lichtmengen und wärmeres Wasser erfordern. Zu Beginn der Saison, vor der Eisschmelze, bilden Meereisalgen eine wichtige Nahrungsquelle für höhere trophische Ebenen . Der Gesamtanteil, den Meereisalgen zur Primärproduktion eines bestimmten Ökosystems beitragen, hängt jedoch stark vom Ausmaß der Eisbedeckung ab. Die Schneedicke auf dem Meereis beeinflusst auch den Zeitpunkt und die Größe der Eisalgenblüte, indem sie die Lichtdurchlässigkeit verändert. Diese Empfindlichkeit gegenüber Eis- und Schneebedeckung kann zu einem Missverhältnis zwischen Raubtieren und ihrer Nahrungsquelle, den Meereisalgen, innerhalb des Ökosystems führen. Dieses sogenannte Match/Mismatch wurde auf eine Vielzahl von Systemen angewendet. Beispiele wurden in der Beziehung zwischen Zooplanktonarten , die auf Meereisalgen und Phytoplankton als Nahrung angewiesen sind, und juvenilem Zanderseelachs in der Beringsee gesehen.

Bloom-Initialisierung

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie Meereisalgenblüten ihren jährlichen Zyklus beginnen, und die Hypothesen dazu variieren je nach Wassersäulentiefe, Meereiszeit und taxonomischer Gruppe. Wo Meereis die tiefen Ozeane überlagert, wird vorgeschlagen, dass Zellen, die in mehrjährigen Eissolentaschen gefangen sind, wieder mit der darunter liegenden Wassersäule verbunden werden und nahe gelegenes Eis jeden Alters schnell kolonisieren. Dies ist als die mehrjährige Meereislager-Hypothese bekannt . Diese Aussaatquelle wurde in Diatomeen nachgewiesen, die sympatische Blüten dominieren . Andere Gruppen, wie die Dinoflagellaten , die ebenfalls im Frühjahr/Sommer blühen, haben nachweislich niedrige Zellzahlen in der Wassersäule selbst und überwintern nicht hauptsächlich im Eis. Wo Meereis den etwas flacheren Ozean bedeckt, kann es zu einer Resuspension von Zellen aus dem Sediment kommen.

Auswirkungen des Klimawandels

Klimawandel und Erwärmung arktischer und antarktischer Regionen haben das Potenzial, die Funktionsweise von Ökosystemen stark zu verändern. Es wird erwartet, dass die abnehmende Eisbedeckung in Polarregionen den relativen Anteil der Meereisalgenproduktion im Verhältnis zur jährlichen Primärproduktion verringert. Das Ausdünnen des Eises ermöglicht eine höhere Produktion zu Beginn der Saison, aber ein frühes Schmelzen des Eises verkürzt die gesamte Wachstumsperiode der Meereisalgen. Dieser Schmelz trägt auch zur Schichtung der Wassersäule , dass Abspaltungen die Verfügbarkeit von Nährstoffen für das Wachstum von Algen durch die Tiefe der Oberfläche abnehmen Mischschicht und den upwelling von Nährstoffen aus tiefen Gewässern zu hemmen. Es wird erwartet, dass dies zu einer allgemeinen Verschiebung hin zur pelagischen Phytoplanktonproduktion führt. Änderungen des mehrjährigen Eisvolumens werden sich auch auf die Ökosystemfunktion im Hinblick auf die Anpassung der Aussaatquellen von Blüten auswirken. Eine Verringerung des MYI, einer temporären Refugie insbesondere für Kieselalgen, wird wahrscheinlich die Zusammensetzung der sympathischen Gemeinschaft verändern, was zu einer Blüteninitialisierung führt, die stattdessen von Arten stammt, die in der Wassersäule oder in Sedimenten überwintern.

Da Meereisalgen oft die Basis des Nahrungsnetzes sind, haben diese Veränderungen Auswirkungen auf Arten mit höheren trophischen Ebenen. Die Reproduktions- und Migrationszyklen vieler polarer Primärkonsumenten werden mit der Blüte von Meereisalgen zeitlich abgestimmt, was bedeutet, dass eine Änderung des Zeitpunkts oder des Ortes der Primärproduktion die Verteilung der Beutepopulationen verschieben könnte, die für bedeutende Keystone-Arten erforderlich sind. Der Produktionszeitpunkt kann auch durch das Durchschmelzen von Oberflächenschmelzteichen in das darunter liegende Meerwasser verändert werden, was den Lebensraum der Meereisalgen spät in der Vegetationsperiode so verändern kann, dass sich die Weidegemeinschaften auf den Winter auswirken.

Auch die Produktion von DMSP durch Meereisalgen spielt eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf . DMSP wird von anderem Plankton zu Dimethylsulfid (DMS) oxidiert, einer Verbindung, die mit der Wolkenbildung verbunden ist. Da Wolken den Niederschlag und die zurück in den Weltraum reflektierte Sonnenstrahlung ( Albedo ) beeinflussen, könnte dieser Prozess eine positive Rückkopplungsschleife erzeugen. Die Wolkenbedeckung würde die von der Atmosphäre in den Weltraum reflektierte Sonneneinstrahlung erhöhen , was möglicherweise dazu beiträgt, den Planeten abzukühlen und mehr polare Lebensräume für Meereisalgen zu unterstützen. Seit 1987 hat die Forschung vorgeschlagen, dass eine Verdoppelung der Wolkenkondensationskeime , von denen DMS eine Art ist, erforderlich wäre, um der Erwärmung aufgrund erhöhter atmosphärischer CO 2 -Konzentrationen entgegenzuwirken.

Eisalgen als Tracer für das Paläoklima

Meereis spielt eine große Rolle für das globale Klima. Satellitenbeobachtungen der Meereisausdehnung reichen nur bis in die späten 1970er Jahre zurück, und längerfristige Beobachtungsaufzeichnungen sind sporadisch und von unsicherer Zuverlässigkeit. Während die terrestrische Eispaläoklimatologie direkt durch Eisbohrkerne gemessen werden kann, sind historische Meereismodelle auf Proxys angewiesen.

Auf dem Meereis lebende Organismen lösen sich schließlich vom Eis und fallen durch die Wassersäule, insbesondere wenn das Meereis schmilzt. Ein Teil des Materials, das den Meeresboden erreicht, wird vergraben, bevor es verbraucht wird und bleibt somit in den Sedimentaufzeichnungen erhalten .

Es gibt eine Reihe von Organismen, deren Wert als Stellvertreter für das Vorhandensein von Meereis untersucht wurde, darunter bestimmte Arten von Kieselalgen, Dinoflagellatenzysten , Ostrakoden und Foraminiferen . Variationen der Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope in einem Sedimentkern können auch verwendet werden, um Rückschlüsse auf die Ausdehnung des Meereises zu ziehen. Jeder Proxy hat Vor- und Nachteile; zum Beispiel sind einige Kieselalgenarten, die nur im Meereis vorkommen, in den Sedimentaufzeichnungen sehr häufig, jedoch kann die Konservierungseffizienz variieren.

Terrestrische Eisalgen

Algen kommen auch auf terrestrischen Eisschilden und Gletschern vor. Die in diesen Lebensräumen vorkommenden Arten unterscheiden sich von denen, die mit Meereis in Verbindung gebracht werden, da das System Süßwasser ist. Auch innerhalb dieser Lebensräume gibt es eine große Vielfalt an Lebensraumtypen und Algenvereinigungen. Kryosestische Gemeinschaften finden sich beispielsweise speziell auf der Oberfläche von Gletschern, wo der Schnee im Laufe des Tages periodisch schmilzt. Auf der ganzen Welt wurden Gletscher und Eisschilde erforscht und mehrere Arten identifiziert. Obwohl es eine breite Palette von Arten zu geben scheint, wurden sie jedoch nicht in gleichen Mengen gefunden. Die am häufigsten auf verschiedenen Gletschern identifizierten Arten sind Ancyonema nordenskioldii und Chlamydomonas nivalis .

Tabelle 1. Zusammensetzung der Algenarten in Studien zu Gletschern und Eisschilden

Gattung Spezies Quelle
Mesotaenium bregreni
Ancylonema nordenskioldii
Zylindrozystis brebissonii
Chlamydomonas nivalis
Phromidemis priestleyi
Oscillatoriaceae Cyanobakterium
Chloroceae Cyanobakterium
Chroococcaceae Cyanobakterium
Chloroplastidae
Chloromonas Polypteren
Chlamydomonas alpina
Chlamydomonas tughillensis

Auswirkungen auf den Klimawandel

Die Geschwindigkeit der Gletscherschmelze hängt von der Oberfläche Albedo . Neuere Forschungen haben gezeigt, dass das Wachstum von Algen lokale Oberflächenbedingungen verdunkelt, die Albedo verringert und somit die Schmelzrate auf diesen Oberflächen erhöht. Schmelzende Gletscher und Eisschilde wurden direkt mit dem Anstieg des Meeresspiegels in Verbindung gebracht . Der zweitgrößte Eisschild ist der Grönländische Eisschild, der sich mit alarmierender Geschwindigkeit zurückgezogen hat. Der Anstieg des Meeresspiegels wird zu einer Zunahme sowohl der Häufigkeit als auch der Intensität von Sturmereignissen führen.

Auf beständigen Eisschilden und Schneedecken färben terrestrische Eisalgen oft das Eis aufgrund von Zusatzpigmenten, im Volksmund als " Wassermelonenschnee " bekannt. Die dunklen Pigmente innerhalb der Algenstruktur erhöhen die Sonnenlichtaufnahme und führen zu einer Erhöhung der Schmelzrate. Es hat sich gezeigt, dass Algenblüten auf Gletschern und Eisschilden erscheinen, sobald der Schnee zu schmelzen begonnen hat, was auftritt, wenn die Lufttemperatur für einige Tage über dem Gefrierpunkt liegt. Der Algenreichtum verändert sich mit den Jahreszeiten und auch räumlich auf Gletschern. Ihre Häufigkeit ist während der Schmelzsaison der Gletscher am höchsten, die in den Sommermonaten auftritt. Der Klimawandel wirkt sich sowohl auf den Beginn der Schmelzsaison als auch auf die Länge dieser Periode aus, was zu einer Zunahme des Algenwachstums führen wird.

Eis-Albedo-Feedback-Schleife (SAF)

Hauptartikel: Eis-Albedo-Feedback

Wenn das Eis/Schnee zu schmelzen beginnt, nimmt die Eisdecke ab, was bedeutet, dass ein größerer Teil des Landes freigelegt wird. Das Land unter dem Eis hat eine höhere Sonnenabsorptionsrate, da es weniger reflektiert und dunkler ist. Schmelzender Schnee hat aufgrund seiner optischen Eigenschaften auch eine geringere Albedo als trockener Schnee oder Eis. Wenn der Schnee zu schmelzen beginnt, nimmt die Albedo ab, was zu mehr Schneeschmelze führt, und die Schleife wird fortgesetzt. Diese Rückkopplungsschleife wird als Eis-Albedo-Rückkopplungsschleife bezeichnet. Dies kann drastische Auswirkungen auf die Schneeschmelze in jeder Saison haben. Algen spielen in dieser Rückkopplungsschleife eine Rolle, indem sie die Albedo von Schnee/Eis verringern. Dieses Algenwachstum wurde untersucht, aber seine genauen Auswirkungen auf die Verringerung der Albedo sind noch unbekannt.

Das Projekt Black and Bloom führt Untersuchungen durch, um die Menge an Algen zu bestimmen, die zur Verdunkelung des grönländischen Eisschildes beitragen, sowie den Einfluss der Algen auf die Schmelzraten der Eisschilde. Es ist wichtig zu verstehen, inwieweit Algen die Albedo auf Gletschern und Eisschilden verändern. Sobald dies bekannt ist, sollte es in globale Klimamodelle einfließen und dann verwendet werden, um den Anstieg des Meeresspiegels vorherzusagen.

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