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Die Jahreszeiten im Meer: Über die Saisonalität des Algenwachstums

Jahreszeiten werden primär durch die Veränderung des Sonnenstandes und die damit verbundene Zu- und Abnahme von Licht und Temperatur bestimmt. Das gilt selbstverständlich auch im Meer. Aber die besonderen physikalischen Eigenschaften des Wassers sorgen dafür, dass sich die jahreszeitlichen Licht- und Temperaturunterschiede unter Wasser etwas anders auswirken. So werden Temperaturschwankungen im Wasser viel stärker abgepuffert als in der Luft. Das Licht wird jedoch beim Durchdringen der Wasseroberfläche durch Reflexion und Brechung noch zusätzlich abgeschwächt. Durch die im Wasser enthaltenen Trübstoffe wird mit zunehmender Wassertiefe die Einstrahlung weiter verringert. Während sich der Winter an Land also hauptsächlich durch die niedrigen Temperaturen lebensfeindlich auswirkt, so behindert er im Wasser durch eine unzureichende Lichteinstrahlung die Entfaltung des Lebens. Die Pflanzen am Gewässergrund legen dann eine Winterruhe ein, wie ihre Verwandten an Land.

Die einzige Pflanzengruppe, die auch im Winter wachsen kann, ist das Phytoplankton. Das sind im Allgemeinen mikroskopisch kleine Organismen, die im Wasser „umhergetrieben" werden. Manche dieser Mikroalgen, nämlich die Gruppe der Flagellaten, können sich mittels Geißeln zwar bewegen, gegen Wellen und Strömungen kommen sie jedoch nicht an. Nur in ruhigem Wasser schaffen sie es, sich in der Wassertiefe zu halten, in der das Licht für die Photosynthese günstig ist. Im Winter finden wir deshalb Flagellaten in der Ostsee, hauptsächlich von der Gruppe der Schlundgeißler (Cryptophyceae). Es gibt aber auch eine Art von Wimpertierchen (Ciliaten) besonders in der offenen Ostsee, die sich Algen als Symbionten „eingefangen" hat und dadurch ebenfalls Photosynthese betreiben kann. Auch diese Art (Mesodinium rubrum) ist im Winter häufig. Die absolute Menge an Phytoplankton ist im Winter aufgrund des Lichtmangels allerdings gering. Daher werden dann auch kaum Nährstoffe (Stickstoff, Phosphor), die quasi als Dünger nötig sind, verbraucht. Der bakterielle Abbau von abgestorbener Biomasse setzt im Winter sogar mehr Nährstoffe frei als verbraucht werden. Außerdem werden weiterhin Nährstoffe über die Flüsse und die Atmosphäre eingetragen, so dass am Ende des Winters die sonst knappen Nährstoffe reichlich vorhanden sind. Es fehlt nur noch das Licht, um diese Nährstoffe wieder in Biomasse umzuwandeln.

Im März steigt die Einstrahlung rapide an, so dass das Licht tiefer in das Wasser eindringen kann. Die Erwärmung führt nach kalten Wintern zur Durchmischung der Wassersäule. Für Flagellaten und Ciliaten sind die Bedingungen jetzt nicht mehr so günstig, denn den Vorteil ihrer Beweglichkeit können sie im turbulenten Wasser kaum noch nutzen. Stattdessen treten Kieselalgen in den Vordergrund, deren relativ schwere und unbewegliche Zellen durch Turbulenzen besser in der Schwebe gehalten werden. Sie vermehren sich massenhaft - es kommt zu einer so genannten Algenblüte. Flagellaten und Ciliaten können da nicht mithalten, so dass die Frühjahrsblüte zumindest in den westlichen Teilen der Ostsee von Kieselalgen dominiert wird (z. B. Chaetoceros spp., siehe Abb. 3). Sie wachsen so lange, bis der limitierende Nährstoff (im allgemeinen Stickstoff) im durchlichteten Oberflächenwasser aufgebraucht ist. Dann geht die Kieselalgenblüte zu Grunde und Flagellaten und Mesodinium rubrum dominieren wieder. Unter den Flagellaten werden nun die Panzergeißler (Dinophyceae) zur wichtigsten Gruppe, denn sie können zwischen durchlichtetem Oberflächenwasser und nährstoffreicheren tiefen Wasserschichten wandern und so auch die in lichtärmeren Tiefen noch vorhandenen Nährstoffreserven erschließen. Doch auch diese Nährstoffe sind bald aufgebraucht, so dass das Wasser im Mai und Juni trotz der optimalen Licht- und Temperaturbedingungen schön klar und nährstoffarm ist.

Die Evolution hat aber Wege gefunden, auch die letzten Ressourcen zu erschließen. Einige Blaualgen (Cyanobacteria) sind in der Lage, den reichlich im Wasser gelösten Luft-Stickstoff (N2) unter Energieeinsatz in biologisch verfügbare Stickstoff-Verbindungen umzuwandeln. Diese stickstoff-fixierenden Blaualgen (siehe Abb. 4) entwickeln sich hauptsächlich in der zentralen Ostsee im Juli und August. Sie bauen in ihren Zellen kleine Gasblasen auf, wodurch sie bei ruhigem Wasser zur Wasseroberfläche aufsteigen, wo sie als gelbliche Algenteppiche deutlich in Erscheinung treten. Diese Blaualgenblüten können durch Wind und Strömungen an die Küsten getrieben werden, wo sie den Badespaß verderben, zumal sie toxisch sind und nicht verschluckt werden sollten. Für das Ökosystem haben sie aber große Bedeutung, da der durch sie fixierte Stickstoff auch von anderen Organismen genutzt wird. So können sich in der Zeit der Blaualgenblüte auch wieder Kieselalgen und Panzerflagellaten entwickeln, die eine wichtige Nahrungsquelle für Kleinkrebse sind, die wiederum von Fischen gefressen werden. Aber auch die Blaualgen stoßen an die Grenze des Wachstums, sobald der Nährstoff Phosphor aufgebraucht ist. Wenn ihre Blüte abgestorben ist, geht die Menge an Phytoplankton insgesamt zurück. In dieser Situation sind wieder Flagellaten im Vorteil.

Insbesondere in der westlichen Ostsee sind bis zu 0,5 mm große Panzerflagellaten der Gattung Ceratium (siehe Abb. 1) seit dem Sommer ständig gewachsen. Sie wachsen langsam, werden aber von Kleinkrebsen wegen ihrer Größe kaum gefressen, so dass sie bis zum Herbst eine hohe Zellzahl erreichen. Sie sind nur auf die westliche Ostsee beschränkt, da sie nur hier den hohen Salzgehalt finden, den sie brauchen. Mit der Abkühlung des Wassers kommt es zu einer immer tieferen Durchmischung, die im Oktober oder November bis an die nährstoffreichen Wassertiefen heranreicht. Dadurch gelangt wieder Nährstoff in die durchlichteten oberen Wasserschichten, was wieder Wachstum ermöglicht. In der eigentlichen Ostsee dominieren im Herbst große Kieselalgen (z.B. Coscinodiscus granii, siehe Abb. 2). Zu dieser Zeit ist aber auch schon Lichtlimitation zu erwarten. Das führt schließlich dazu, dass die Phytoplanktonbiomasse im Winter auf ein Minimum zurückgeht.

Der hier dargestellte Jahresgang der Phytoplanktonentwicklung kann im konkreten Fall erheblichen Abweichungen unterliegen. In verschiedenen Seegebieten, insbesondere in Küstengewässern, gibt es oft noch sehr spezielle Erscheinungen. So können die dominierenden Arten der Frühjahrsblüte von Jahr zu Jahr wechseln. Auch die Ausprägung der Blaualgenblüte unterliegt großen Schwankungen. Die wirkenden Gesetzmäßigkeiten sind jedoch universell, so dass der hier dargestellte Jahresgang vom Grundsatz her für die Ostsee Allgemeingültigkeit hat. Mögliche Veränderungen der Bedingungen, zum Beispiel durch Veränderungen des Klimas oder der Nährstoffeinträge, wirken natürlich auch auf die Ausprägung der Jahreszeiten im Meer ein.

21.07.2005, Dr. Norbert Wasmund