Saures Wasser setzt Seeigeln zu – Kieler Studie weist Beeinträchtigungen bei Seeigellarven nach

Pluteuslarven des grünen Seeigels Strongylocentrotus droebachiensis sind winzige, etwa 0,3 mm 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 durchsichti-ger 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 Energiever-brauch aufweisen. Eine längere Entwicklungsdauer erhöht jedoch das Risiko, von den zahlreich vorhandenen Räubern im offenen Ozean gefressen zu werden.

Im Rahmen des BMBF Verbundprojektes BIOACID haben Forscher des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel und des Exzellenzclusters „Ozean der Zukunft“ an der Christi-an-Albrechts Universität zu Kiel (CAU) untersucht, welche Mechanismen zu dieser Wachstumsver-langsamung führen. Unter Zuhilfenahme von Methoden, die für die Erforschung von Säugetiernie-ren 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 2 µm 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 ers-ten Skelettelemente werden innerhalb der Zelle gebildet – ein Prozess, der nur unter sehr konstan-ten Umweltbedingungen funktioniert. Änderungen im pH-Gradienten zwischen den kalzifizierenden Zellen und der Leibeshöhle könnten einer der Gründe für die beobachtete Reduktion von Wachs-tum und Kalzifizierung in einer versauerten Meeresumwelt darstellen. Es muss unter diesen Be-dingungen nämlich mehr Energie für die Kontrolle des pH Wertes in den kalzifizierenden Zellen aufgewandt werden. Diese Energie fehlt dann für Wachstumsprozesse.

„Wir benötigen noch weitere Studien zur Zellbiologie von Kalzifizierungsprozessen, um die Mecha-nismen der Sensitivität besser zu verstehen“, erläutert Prof. Dr. Frank Melzner, Leiter der Arbeits-gruppe Ökophysiologie am GEOMAR. „Die pH-Regulationsmöglichkeiten von winzigen Larvalsta-dien 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 Verbund-projekte BIOACID und ‚Ozean der Zukunft’ ermöglicht uns, Störungen des inneren Milieus einer Zelle von unterschiedlichen Organismen zu untersuchen. Damit können wir physiologische Pro-zesse 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 bzw. Assistenten an der CAU, absolvieren derzeit einen einjährigen Postdoc – Aufent-halt an der Universität Göteborg. Dort setzen sie ihre Arbeiten an Seeigellarven fort. Erste Ergeb-nisse 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 Zei-ten für die interdisziplinäre Meeresforschung“, resümiert Prof. Melzner.

Originalarbeit:
Stumpp, M., Hu, M.Y., Melzner, F., Gutowska, M.A., Dorey, N., Himmerkus, N., Holtmann, W., Du-pont, S.T., Thorndyke, M.C., Bleich, M., 2012: Acidified seawater impacts sea urchin larvae pH regulatory systems relevant for calcification. Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1209174109.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Frank Melzner, GEOMAR,
Prof. Dr. Markus Bleich, CAU Kiel,
Dr. Andreas Villwock, GEOMAR, Kommunikation & Medien, Tel.: 0431-600-2802,
Friederike Balzereit, Exzellenzcluster „Future Ocean“, Öffentlichkeitsarbeit, Tel.: 0431-880-3032,

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