Jedes Jahr im Sommer verwandelt sich die Gletscheroberfläche in der Schmelzzone des Grönländischen Eisschilds. Dann bilden sich türkisblaue Seen und Bäche, die in Gletscherspalten stürzen, und die gleißend helle Landschaft erhält einen dunklen Anstrich: durch Myriaden von Mikroalgen, die das Eis besiedeln. Oft passiert das buchstäblich über Nacht.

Liane Benning vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung in Potsdam reist seit 15 Jahren regelmäßig für Feldstudien nach Grönland und campt dort mit ihrem Team auf dem Eis. Für sie ist es ein magisches Erlebnis, solch eine Algenblüte mitzuerleben. »Man wacht eines Morgens auf, und der gesamte Gletscher schimmert violett«, erzählt die Biogeochemikerin. »Wir wissen bislang nicht, was diese Blüten auslöst, aber sie können sich sehr schnell über riesige Gebiete ausbreiten.«

Lange Zeit beachtete die Wissenschaft diese Einzeller kaum oder hielt sie lediglich für Schmutzteilchen. Dabei ahnte bereits der schwedisch-finnische Geologe und Polarpionier Adolf Erik Nordenskjöld, als er im Jahr 1870 die Westküste Grönlands erkundete, was die Eisalgen für das Schicksal der Eisinsel bedeuten könnten. Das zentrale Hochland war damals noch Terra incognita – erst 18 Jahre darauf überquerte der norwegische Entdecker Fridtjof Nansen den Eisschild auf Skiern.

Nach der Expedition notierte Nordenskjöld seine Beobachtungen in einem Aufsatz im Fachmagazin »Nature«: »Überall dort, wo der Schnee des letzten Winters weggeschmolzen ist, ist ein feiner, grauer und im feuchten Zustand schwarzer oder dunkelbrauner Staub über das Inlandeis verteilt.« Er schreibt von der Entdeckung »einer eigentümlichen Eisflora aus mikroskopischen Pflanzen (Algen)«, deren »dunkle Farbe die Sonnenwärme viel leichter absorbiert als das bläulich weiße Eis und so zur Zerstörung der Eisdecke beiträgt«.

Heute, eineinhalb Jahrhunderte später, untersuchen Forschende vom GFZ Potsdam zusammen mit europäischen Partnerinstituten, wie sich diese »eigentümliche Eisflora« an ein Leben unter Extrembedingungen angepasst hat und wie sie zum Schwinden der Gletscher beiträgt. Denn seit einiger Zeit beobachten sie auf der größten Insel der Welt einen beunruhigenden Trend: Im Sommer färben sich immer ausgedehntere Flächen grau bis schwarz und absorbieren mehr Strahlungsenergie. Dadurch bildet sich mehr Schmelzwasser, das den Meeresspiegel noch stärker ansteigen lässt.

Fünf Billionen Tonnen Eisverlust

Nur in wenigen Teilen der Erde sind die Folgen des Klimawandels so spürbar wie auf Grönland. Einst herrschte dort ein Gleichgewicht zwischen den Schneemassen, die die Gletscher speisen, und dem Schmelzwasser sowie den Eisbergen, die an der Küste ins Meer gelangen. Seit den 1980er-Jahren aber hat sich der jährliche Eisverlust der Insel versechsfacht – weil die Lufttemperaturen in der Arktis rasch steigen, Eisströme immer schneller fließen und die Ozeanerwärmung die schwimmenden Ausläufer der Meeresgletscher von unten abschmilzt. Allein von 1992 bis 2020 gingen fast fünf Billionen Tonnen Eis verloren. Das entspricht einer 14 Meter dicken Eisschicht über ganz Deutschland. Die schmelzenden grönländischen Eismassen leisten aktuell den größten Beitrag zum Meeresspiegelanstieg, der durch weltweit schrumpfende Gletscher verursacht wird.

Das Eis schmilzt auch deshalb ab, weil sich Grönlands Gletscher verdunkeln. Fachleute sprechen davon, dass sich die Albedo verringert. Letztere gibt an, welchen Anteil der einfallenden Strahlung eine Oberfläche zurückwirft. Schnee zum Beispiel hat eine deutlich höhere Albedo als Eis oder flüssiges Wasser und reflektiert mehr Sonnenlicht, sprich Wärme. Satellitendaten zeigen, dass die Albedo in den tiefer liegenden Randbereichen des Grönländischen Eisschilds seit 2005 abnimmt, besonders im Süden und entlang der Westküste – in der sogenannten »dark zone«.

Dies geschieht zum einen, weil der Schnee immer früher im Jahr zu schmelzen beginnt und häufiger Regen statt Schnee fällt. Dadurch ist eine größere Eisoberfläche schneefrei. Zum anderen verdunkeln Partikel den Eisschild, darunter Gesteinsstaub aus Gletschervorfeldern sowie Ruß. Letzterer entweicht aus Industrieschloten oder entsteht bei Waldbränden in Kanada und Sibirien, die im Zuge des Klimawandels immer häufiger und stärker werden. Den Einfluss solcher anorganischen Teilchen auf die Albedo verstehen Forschende heute gut und berücksichtigen ihn entsprechend in Klimamodellen.

Im Sommer vermehren sich die schwarzen Algen massenhaft

Wissenschaftliche Studien der vergangenen zehn Jahre weisen jedoch darauf hin, dass auch die Bio-Albedo, die erhöhte Strahlungsabsorption durch Mikroorganismen, eine erhebliche Rolle beim Gletscherrückgang spielt. Neben Kryokonit – schwarzen Klumpen aus Bakterien, organischem Material sowie Staub- und Rußpartikeln, die kreisrunde Löcher ins Eis brennen – verstärken vor allem Algen, die sich im Sommer massenhaft vermehren, das Abschmelzen. Ihre dunkle Farbe beruht auf einem violett-braunen Pigment namens Purpurogallin. Anirban Majumder erforscht als Doktorand am GFZ den Effekt von Licht auf den Stoffwechsel der pflanzlichen Einzeller. »Taut man Eis von der Gletscheroberfläche auf, sieht das Wasser aus wie Kaffee oder Tee«, sagt er.

»Die Eisalgen benötigen das Purpurogallin als Sonnenschutz«, erklärt Majumder. Mit dem Pigment schirmen die Mikroorganismen ihre Chloroplasten und das darin enthaltene Chlorophyll vor der extrem hohen Lichtintensität und der schädlichen UV-Strahlung ab, die auf die Gletscher trifft. Zugleich befeuern sie damit den Eisrückgang: Die Algen nutzen nur einen Bruchteil des Sonnenlichts für die Fotosynthese. Bis zu zwei Drittel der absorbierten Strahlung leiten sie als Wärme wieder an ihre Umgebung ab. Der Effekt lässt sich beziffern, wie Liane Benning ausführt: »Unsere Messungen zeigen, dass Algenblüten das Abschmelzen um bis zu 25 Prozent beschleunigen.« In einem Liter geschmolzenem Gletschereis finden sich bis zu 100 Millionen Zellen der Mikroorganismen. Mit fortschreitender Erderhitzung dürften sie den Schmelzprozess noch weiter ankurbeln, vermutet die Biogeochemikerin: »Denn sie werden der zurückweichenden Schneegrenze unweigerlich folgen.«

Spurensuche in der unwirtlichen Eiswüste

Benning und ihr Team möchten herausfinden, wie es den Algen gelingt, in der unwirtlichen Eiswüste zu gedeihen und neue schneefreie Gebiete zu besiedeln. So wollen sie genauere Modellvorhersagen zu der Frage ermöglichen, wie die Ausweitung der »dark zone« auf der Arktis-Insel zum Meeresspiegelanstieg beiträgt. Bislang ist nämlich wenig bekannt über die Physiologie der Einzeller sowie die Umweltfaktoren, die ihr Wachstum steuern. Im Sommer sind sie nicht nur der intensiven Strahlung ausgesetzt, sondern auch ständigen Wechseln von Tauwetter und Frost. Im Winter hingegen herrschen tiefe Minusgrade, und es liegt meterdick Schnee.

Seit 2019 unternimmt das GFZ daher zusammen mit der Universität Aarhus in Dänemark während der sommerlichen Schmelzperiode immer wieder Expeditionen nach Grönland. Bisweilen bauen die Forschenden dort mehrwöchige Gletschercamps auf, für die sie Tonnen an Ausrüstung per Helikopter auf den Eisschild transportieren: sturmfeste Zelte, Schlafsäcke und Proviant, dazu Eisäxte, Mikroskope und weitere wissenschaftliche Instrumente. Zurück kommen sie mit Bergen an Daten und Proben, anhand derer sie das Geheimnis der Eisalgen allmählich entschlüsseln.

So war es bis vor Kurzem ein Rätsel, wie die Mikroben in dem äußerst kargen Ökosystem ihren Bedarf an essenziellen Nährstoffen decken, etwa für die Zellteilung oder die Pigmentsynthese. Mithilfe einer hochempfindlichen spektrometrischen Analysemethode zeigten die Forschenden in einer 2026 veröffentlichten Studie, dass Phosphor und Stickstoff – zwei Elemente, die das Wachstum von Mikroorganismen oft begrenzen – in geringen, aber dennoch messbaren Mengen im Gletschereis vorkommen. Den Berechnungen des Teams zufolge genügen die Konzentrationen, um eine Algenblüte zu ernähren.

Nährstoffe aus der Luft

Wie die Fachleute außerdem mit Kollegen der britischen University of Leeds herausfanden, düngen Ablagerungen aus der Atmosphäre den Eisschild mit Phosphor und anderen Nährstoffen wie dem Spurenelement Eisen: kleine Partikel, an denen sich Schneekristalle bilden, und durch Wind aufgewirbelter Gesteinsstaub aus Schutthalden vor den Gletschern. Das Team hatte im Südwesten von Grönland in zwei Sommern nicht nur Schnee, sondern ebenso Aerosole gesammelt. Auf den Partikelfiltern landeten auch zahlreiche Mikroorganismen: Bakterien, Pilze sowie Schnee- und Eisalgen, die offenbar über die Luft neuen Lebensraum erobern. Anfang 2026 veröffentlichten die Forschenden ihre Ergebnisse in »Environmental Science & Technology«.

Die Physiologie und Ökologie der Eisalgen liegen auch deshalb noch größtenteils im Dunkeln, weil es lange nicht glückte, sie im Labor zu kultivieren. Dem Team vom GFZ gelang es schließlich nach einigen Anläufen, wie die Molekularbiologin Helen Feord vom GFZ berichtet. »Vieles von dem, was wir über Algenkulturen wussten, mussten wir verwerfen.« Damit die Einzeller sich vermehrten, mussten die Forschenden etwa den Nährstoffgehalt in den Zuchtgefäßen drastisch reduzieren. In den Kühl-Inkubatoren im Potsdamer Labor verdoppeln die Mikroben ihre Zahl mittlerweile alle vier bis fünf Tage. Nun sind gezielte Experimente möglich, um zu ergründen, wie bestimmte Faktoren ihr Wachstum beeinflussen.

Allerdings ersetzen die Versuche keine Untersuchungen an Umweltproben, da sich die natürlichen Bedingungen auf dem Eisschild im Labor nur begrenzt simulieren lassen. Das führt beispielsweise dazu, dass die Algenkulturen im Lauf der Zeit ihre Pigmentierung mit Purpurogallin verlieren und die grüne Farbe von Chlorophyll annehmen, erzählt Feord. Um die biochemischen Prozesse in den Algen besser zu verstehen, nutzt die Wissenschaftlerin unter anderem die Methode der Proteomik. Dabei analysiert man alle in einer Zelle produzierten Proteine.

In Proben, die während einer Feldstudie auf Grönland vom Eis gekratzt wurden, fand ein Team um Feord Hinweise darauf, wie sich die Mikroorganismen an ihre harsche Umgebung angepasst haben. Das Proteom der Eisalgen enthält seinen Untersuchungen zufolge große Mengen lichtempfindlicher Proteine (Fotorezeptoren) sowie solcher, die Nährstoffe transportieren. Damit, so vermuten die Forschenden, könnten die Organismen einerseits auf schwankende Lichtverhältnisse reagieren – entweder um ihre Fotosynthese zu optimieren oder um die Chloroplasten vor hoher Strahlung zu schützen – und andererseits chronisch knappe Bioelemente sowie organische Verbindungen rasch aufnehmen, sobald diese verfügbar sind.

Arbeit mit Schmelzwasserbächen und Schneestürmen

So wie das Leben der Algen ist auch die Arbeit jener, die sie ergründen, geprägt von Extrembedingungen. Neben tiefen Spalten und schneebedeckten Gletschermühlen, in die Schmelzwasserbäche stürzen, kann vor allem das Wetter auf dem Eisschild gefährlich werden. »Wir hatten schon Situationen, in denen uns die Gruppe nicht mehr sicher schien und wir das Camp abbrechen wollten«, erzählt Liane Benning. So etwa im Sommer 2021, als es im Süden Grönlands sehr stark regnete und es durch die Zelte tropfte. Aber trotz durchnässter Kleidung harrten sie aus. 2024 fegte ein tosender Schneesturm über sie hinweg. »Eine Person wurde im Zelt vom Wind einige Meter davongetragen«, erinnert sich Anirban Majumder, der dabei war. Dieses Mal wurden sie evakuiert.

Im Februar 2025 sind die beiden als Teil eines vierköpfigen GFZ-Teams in das Forschungsdorf Ny-Ålesund auf Spitzbergen gereist, wo auch die deutsch-französische AWIPEV-Station steht. Die Eisalgen findet man dort ebenso wie in anderen Gletschergebieten der Erde, von den Alpen über den Himalaja und die Anden bis in die Antarktis. Die Winter-Expedition sollte klären, wie Eis- und Schneealgen, die im späten Frühjahr blühen, die lange, kalte und dunkle Polarnacht überstehen. Bevor die Forschenden zwei umliegende Gletscher beproben konnten, mussten sie zum Schießtraining, um sich vor den Eisbären schützen zu können, die auf dem arktischen Archipel umherstreifen. Ausgerüstet mit Stirnlampen, Schaufeln, Eiskernbohrern und Gewehren brachen sie schließlich bei tiefem Frost auf Schneemobilen in die Finsternis auf.

Neue Rätsel

Die gesammelten Proben wurden anschließend ins Fotolabor im Ort gebracht, für erste Analysen unter rotem Licht, um die Algen nicht durch weißes Licht aus ihrem Winterschlaf zu holen. Es war bereits bekannt, dass die rot pigmentierten Schneealgen nach der sommerlichen Schneeschmelze Sporen bilden und ihre Farbe verlieren. Im Frühjahr erwachen sie dann wieder und schwimmen mithilfe ihrer Flagellen zur Oberfläche der neuen Schneedecke. Anders verhält es sich bei den Eisalgen, wie sich zeigte: »Überraschenderweise sind sie auch im Winter pigmentiert, obwohl es kein Sonnenlicht gibt«, sagt Majumder. Welchen Zweck das Purpurogallin in der dunklen Jahreszeit erfüllt, sei noch unklar. Womöglich schützt es die Zellen davor, auszutrocknen. Genauere Untersuchungen sollen diese Frage beantworten.

Im Sommer 2026 werden sich die Forschenden vom GFZ gemeinsam mit Kollegen der Universität Aarhus erneut in die Arktis aufmachen. »Überall, wo wir bisher auf Grönland waren – vom Nordwesten über den tiefen Süden bis an die Ostküste –, haben wir Eisalgen gefunden«, sagt Benning. »Nun wollen wir in den Nordosten Grönlands, um zu klären, ob sie tatsächlich auf der gesamten Insel vorkommen.« Von der Expedition erhoffen sie sich weitere Erkenntnisse darüber, wie die zähen Einzeller auf dem Eisschild überleben und dessen Albedo verringern – und so letztlich, wie die kleinen, unscheinbaren Mikroorganismen zum weltweiten Meeresspiegelanstieg beitragen.

Diese Recherche wurde durch das FRONTIERS Science Journalism Residency Program des Europäischen Forschungsrats gefördert. Der Autor verbrachte im Rahmen des Programms zwei Monate am GFZ in Potsdam.