Phytoplankton wendet das Zwiebelschalen-Prinzip an

Mikroalgen generieren etwa die Hälfte der globalen Photosyntheseleistung. Sie bilden das Fundament mariner Nahrungsnetze. Jede photosynthetisch aktive Zelle exkretiert organische Verbindungen. Diese Stoffe bilden um die Algen eine Konzentrationswolke, die Phycosphäre. Hier interagieren Mikroalgen intensiv mit marinen Bakterien. Diese Wechselwirkungen steuern maßgeblich den globalen Kohlenstoffkreislauf. Bakterien nutzen die chemischen Gradienten zur Chemotaxis. Sie migrieren gezielt zu den Algenzellen. „Die Phycosphäre ist einer der wichtigsten Marktplätze für organischen Kohlenstoff in den Meeren“, sagt Professor Roman Stocker.

Raman-spektroskopische Vermessung der Mikroumgebung

Bisherige Diffusionsmodelle nahmen einen kontinuierlichen Konzentrationsabfall mit steigendem Abstand an. Forschende der ETH Zürich untersuchten diese Annahme nun experimentell. Mittels hochauflösender Raman-Mikrospektroskopie analysierten sie lebende Algenzellen. Sie erfassten die räumliche Verteilung des hydrophoben Photosynthesepigments Fucoxanthin. Die Daten widerlegen das klassische Diffusionsmodell.

Heterogene Schichtung und Zwiebelschalen-Modell

Die Messungen offenbarten eine unerwartet hohe Fucoxanthin-Konzentration nahe der Zellwand. Die chemische Mikroumgebung ist strukturell in konzentrische Schichten unterteilt. Die physikochemischen Eigenschaften der Metaboliten bestimmen die Ausdehnung dieser Schichten. Hydrophile Substanzen wie Aminosäuren diffundieren erwartungsgemäß gleichmäßig. Ihre Konzentration nimmt mit der Distanz graduell ab. Hydrophobe Lipide wie Fucoxanthin bleiben dagegen zellnah konzentriert. Ab einer Distanz von zehn Mikrometern fällt ihre Konzentration abrupt ab.

Funktionelle Schleimhülle als Diffusionsbarriere

Verantwortlich für diese Schichtung ist eine extrazelluläre polymere Schleimhülle. Diese Matrix besitzt eine duale biologische Funktion. „Einerseits hilft er wasserabweisenden Stoffen, sich im Wasser zu verteilen“, sagt Riccardo Foffi. Die Barriere verhindert den unkontrollierten Abfluss lipophiler Signalmoleküle. „Dadurch entstehen viel stärkere chemische Signale“, fügt Zachary Landry hinzu. „Sie machen es den Bakterien einfacher, die winzigen Mikroalgenzellen im Ozean zu finden.“

Das neue Schichtenmodell präzisiert das Verständnis mariner Mikrobiome. Es betont den Wert präziser analytischer In-vivo-Messungen gegenüber reinen Simulationen.

Quelle

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) (07/2026)