Prochlorococcus ist nach derzeitiger Kenntnis der am häufigsten vorkommende Organismus auf der Erde. Mitglieder dieser Bakteriengattung leben in den obersten Wasserschichten der Ozeane und gehören zum Phytoplankton. Prochlorococcus-Zellen messen weniger als einen Mikrometer (millionstel Meter) und sind damit kleiner als die meisten anderen Plankton-Spezies. Sie gehören zu den wichtigsten Sauerstoffproduzenten auf dem Planeten; in einem Wassertropfen können hunderttausende vorkommen. Ein Forschungsteam um François Ribalet von der University of Washington in Seattle hat nun herausgefunden, dass diese Bakterien empfindlicher auf den Klimawandel reagieren als bisher gedacht.

Laut der Studie könnte die Menge an Prochlorococcus-Zellen in tropischen Ozeanen künftig deutlich schrumpfen. Wenn sich diese Gewässer durch den Klimawandel moderat bis stark erwärmen, drohen die dortigen Prochlorococcus-Bestände bis zum Jahr 2100 um mehr als die Hälfte einzubrechen. Dieser Rückgang könnte Kettenreaktionen in den marinen Nahrungsnetzen auslösen, befürchten die Fachleute. Die möglichen Folgen sind unklar.

Prochlorococcus hat eine immense ökologische Bedeutung, wie das Forschungsteam erläutert. Die Organismen besiedeln mehr als 75 Prozent der sonnenbeschienenen Meeresoberflächen. Sie liefern ein Fünftel bis ein Viertel des global produzierten Sauerstoffs und binden einen erheblichen Anteil des atmosphärischen CO₂. In nährstoffarmen tropischen und subtropischen Gewässern stellen sie fast die Hälfte der Phytoplankton-Biomasse, womit sie eine zentrale Stellung am Beginn der marinen Nahrungskette einnehmen.

Unter bisherigen natürlichen Bedingungen teilen sich Prochlorococcus-Zellen etwa einmal täglich. Auf Basis von Laborexperimenten gingen viele Wissenschaftler bisher davon aus, dass das auch bei höheren Temperaturen gilt. 

Ab 28 Grad sinkt die Vermehrungsfreude

Messungen, die bei insgesamt 90 Forschungsfahrten in tropischen und subtropischen Meeresgebieten vorgenommen wurden, zeigen nun allerdings: Die Teilungsrate von Prochlorococcus-Zellen steigt nur bis zu einer Wassertemperatur von etwa 28 Grad. Bei höheren Temperaturen fällt sie wieder steil ab und erreicht schon bei 31 Grad nur noch etwa ein Drittel des Höchstwerts, wie die Forschungsgruppe um Ribalet schreibt. Die Messdaten sind in dem Zeitraum zwischen 2010 und 2023 aufgenommen worden und geben die Verhältnisse in Wassertiefen von drei bis acht Metern wieder.

»Die regionalen Wassertemperaturen an der Oberfläche könnten bis zum Ende des Jahrhunderts sowohl bei moderaten als auch bei hohen Erwärmungsszenarien diesen Bereich (des Temperaturoptimums, Anm. d. Red.) überschreiten«, heißt es in der Studie. In dem Szenario RCP8.5 beispielsweise, das von weiterhin hohen Treibhausgasemissionen und einem entsprechend starken Klimawandel ausgeht, könnte sich die durchschnittliche Meerestemperatur in diesem Zeitraum um 3,8 Grad erhöhen. In vielen Meeresregionen könnten dann Wassertemperaturen um die 30 Grad herrschen.

Inwiefern sich Prochlorococcus diesem rasanten Wandel anpassen kann, ist unbekannt. Frühere Studien haben eine große genetische Vielfalt unter verschiedenen Stämmen dieser Organismen gezeigt. Doch die Mikroben haben nur ein kleines Erbgut. »Prochlorococcus hat eine Genomstraffung durchlaufen und dabei viele Stressreaktionsgene verloren, um den Ressourcenbedarf zu minimieren und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit in einem engeren Bereich der Umgebungsbedingungen zu verbessern«, heißt es in der Studie. Das könnte die Fähigkeit der Mikroben einschränken, sich an die rasche Erwärmung anzupassen.

Eine andere Organismengruppe hingegen, die ebenfalls fotosynthetisch aktive Bakteriengattung Synechococcus, könnte vom Klimawandel profitieren, schreiben Ribalet & Co. Computersimulationen zufolge könnte sie die ökologische Lücke, die Prochlorococcus bei höheren Wassertemperaturen zu hinterlassen droht, zumindest teilweise füllen.

Zuspruch und Kritik

Gernhard Herndl, emeritierter Professor für Meeresbiologie an der Universität Wien, bewertet die Studienergebnisse dem Science Media Center (SMC) gegenüber als »durchaus schlüssig«. Auch Miriam Seifert vom Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven sprach im Hinblick auf die Studie von einem »validen und durchaus aussagekräftigen Szenario«. Ribalet und sein Team selbst merken einschränkend an, dass es bisher nur recht wenige einschlägige Messungen in räumlich beschränkten Meeresgebieten gegeben habe. Auch könne es sein, dass selten auftretende hitzetolerante Prochlorococcus-Varianten nicht hinreichend erfasst wurden.

Deutliche Kritik äußerte Bernhard Fuchs vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen. »Eine wesentliche Schwäche der Studie ist die auf die obersten Schichten beschränkte Probennahme«, sagte er dem SMC. Dadurch sei außen vor geblieben, was in tieferen Schichten geschehe – ob beispielsweise nach einer Hitzewelle und dem weitgehenden Absterben einer Prochlorococcus-Population eine Wiederbesiedlung aus tieferen, kühleren Schichten möglich sei. Auch die eingesetzte Messmethode sei nicht optimal gewesen. Zusammenfassend handle es sich um eine spannende Publikation von ausgewiesenen Experten, aber mit deutlichen methodischen Limitationen. (dpa/fs)