Was sind Algen?

Algen sind eine vielfältige Gruppe von Wasserorganismen, die die Fähigkeit haben, Photosynthese zu betreiben. Bestimmte Algen sind den meisten Menschen bekannt, z. B. Algen (wie Seetang oder Phytoplankton), Teichschaum oder die Algenblüten in Seen. Es gibt jedoch eine große und vielfältige Welt von Algen, die uns nicht nur nützlich sind, sondern für unsere Existenz entscheidend sind.

Definition

Der Begriff „Algen“ umfasst viele verschiedene Organismen, die in der Lage sind, durch Photosynthese (der Prozess der Nutzung der Lichtenergie der Sonne zur Erzeugung von Kohlenhydraten) Sauerstoff zu produzieren. Diese Organismen sind nicht unbedingt eng miteinander verwandt. Bestimmte Merkmale vereinen sie jedoch, während sie sich von der anderen großen Gruppe photosynthetischer Organismen, den Landpflanzen, unterscheiden.

In erster Linie sind Algen nicht so stark differenziert wie Pflanzen, so die Autoren von „Algae: Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology, 2nd Ed.“ (CRC Press, 2014). Das heißt, ihnen fehlen echte Wurzeln, Stängel und Blätter sowie ein Gefäßsystem, um Wasser und Nährstoffe in ihrem Körper zirkulieren zu lassen. Zweitens sind viele Algen einzellig, wie ein 2014 in der Zeitschrift Current Biology veröffentlichter Artikel zeigt. Außerdem kommen sie in einer Vielzahl von Formen und Größen vor. Sie können als einzelne, mikroskopisch kleine Zellen existieren, makroskopisch und vielzellig sein, in Kolonien leben oder ein blättriges Aussehen annehmen, wie im Fall von Algen wie dem Riesentang. Picoplankton hat einen Durchmesser von 0,2 bis 2 Mikrometern, während die Wedel von Riesentang bis zu 60 Meter lang sind. Schließlich sind Algen in einer Reihe von aquatischen Lebensräumen zu finden, sowohl im Süß- als auch im Salzwasser.

Aufgrund dieser Merkmale umfasst der allgemeine Begriff „Algen“ sowohl prokaryotische Organismen – Cyanobakterien, auch bekannt als Blaualgen – als auch eukaryotische Organismen (alle anderen Algenarten). „Da „Algen“ keine natürliche Gruppe bilden, die von einem gemeinsamen Vorfahren abstammt, ist die Einbeziehung von Cyanobakterien in die informelle Gruppe „Algen“ üblich“, so Linda Graham, Professorin für Botanik an der Universität von Wisconsin-Madison. „Der Begriff ‚eukaryotische Algen‘ schließt Cyanobakterien aus.“ Interessant ist auch, dass die Chloroplasten, die bei Landpflanzen für die Photosynthese zuständig sind, angepasste Formen von Cyanobakterien sind. Diese frühen Cyanobakterien wurden nach Angaben des Paläontologischen Museums der University of California irgendwann im späten Proterozoikum oder im frühen Kambrium von primitiven Pflanzenzellen verschlungen.

(Zu den Prokaryoten gehören Bakterien und Archaeen. Sie sind einfachere Organismen ohne eine organisierte Zellstruktur, und ihre DNA schwimmt frei als eine verwickelte Masse im Zytoplasma. Eukaryoten hingegen sind alle anderen lebenden Organismen: Protisten, Pflanzen, Pilze, was sind Protisten? und Tiere. Ihre Zellen sind besser organisiert. Sie haben Strukturen, die Organellen genannt werden, um eine Reihe von zellulären Funktionen auszuführen, und ihre DNA befindet sich in einem zentralen Kompartiment, das Kern genannt wird.)

Allgemeine Merkmale

Lebensraum

Die meisten Algen leben in aquatischen Lebensräumen (Current Biology, 2014). Das Wort „aquatisch“ ist jedoch nur bedingt geeignet, die Vielfalt dieser Lebensräume zu erfassen. Diese Organismen können in Süßwasserseen oder in Salzwasserozeanen gedeihen. Sie können auch eine Reihe von Temperaturen, Sauerstoff- oder Kohlendioxidkonzentrationen, Säuregehalt und Trübung ertragen. So findet man beispielsweise Riesentang laut „Algae“ mehr als 200 Meter unter den polaren Eisschilden, während die einzellige Grünalgenart Dunaliella salina in sehr salzigen oder hypersalinen Umgebungen wie dem Toten Meer vorkommt, wie ein 2005 in der Zeitschrift Saline Systems veröffentlichter Übersichtsartikel zeigt. Frei schwimmende, meist einzellige Algen, die in beleuchteten Bereichen des Wassers leben, werden als planktonisch bezeichnet. Diejenigen, die an Oberflächen haften, werden als benthische Algen bezeichnet. Solche Algen wachsen laut „Algen“ auf Schlamm, Steinen, anderen Algen und Pflanzen oder Tieren.

Algen können auch an Land überleben. Einige unerwartete Orte, an denen sie wachsen, sind Baumstämme, Tierfelle, Schneebänke, heiße Quellen (laut „Algae“) und im Boden, einschließlich Wüstenkrusten (Current Biology, 2014).

Meistens leben Algen unabhängig in ihren verschiedenen Wachstumsformen (Einzelzellen, Kolonien usw.), aber sie können auch symbiotische Beziehungen mit einer Vielzahl von nicht-photosynthetischen Organismen eingehen, einschließlich Ciliaten, Schwämmen, Mollusken und Pilzen (als Flechten). Einer der Vorteile solcher Beziehungen besteht darin, dass sie es den Algen ermöglichen, den Horizont ihrer Lebensräume zu erweitern.

Nahrung

Im Allgemeinen sind Algen zur Photosynthese fähig und produzieren ihre eigene Nahrung, indem sie die Lichtenergie der Sonne und Kohlendioxid nutzen, um Kohlenhydrate und Sauerstoff zu erzeugen. Mit anderen Worten, die meisten Algen sind autotroph oder genauer gesagt photoautotroph (was ihre Nutzung der Lichtenergie zur Erzeugung von Nährstoffen widerspiegelt).

Es gibt jedoch bestimmte Algenarten, die ihre Nahrung ausschließlich aus externen Quellen beziehen müssen; das heißt, sie sind heterotroph. Solche Arten wenden eine Reihe von heterotrophen Strategien an, um Nährstoffe aus organischem Material (kohlenstoffhaltige Verbindungen wie Kohlenhydrate, Proteine und Fette) zu gewinnen. Bei der Osmotrophie handelt es sich um die Absorption gelöster Stoffe, bei der Phagotrophie um das Verschlingen von Bakterien oder anderen Beutetieren. Andere Algen, die so genannten Auxotrophen, müssen nur essentielle Vitamine wie den B12-Komplex oder Fettsäuren aufnehmen (nach „Algen“).

Nach Ansicht der Autoren von „Algae“ ist es allgemein anerkannt, dass die Ernährungsstrategien von Algen auf einem Spektrum liegen, das Photoautotrophie und Heterotrophie kombiniert. Diese Fähigkeit wird als Mixotrophie bezeichnet.

Reproduktion

Algen sind in der Lage, sich durch asexuelle oder vegetative Methoden und durch sexuelle Fortpflanzung zu vermehren.

Nach Angaben der Autoren von „Algae“ beinhaltet die ungeschlechtliche Fortpflanzung die Produktion einer beweglichen Spore, während vegetative Methoden die einfache Zellteilung (Mitose) zur Erzeugung identischer Nachkommen und die Fragmentierung einer Kolonie umfassen. Die geschlechtliche Fortpflanzung umfasst die Vereinigung von Gameten (die in jedem Elternteil durch Meiose individuell erzeugt werden).

Eine Algenblüte in North Carolina, einer Region des Landes, die für großflächiges Algenwachstum ausgelegt ist. (Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Ildar Sagdejev via PNNL)

Klassifizierung

Cyanobakterien

Sie werden auch als Blaualgen bezeichnet. Obwohl sie in der Lage sind, sauerstoffproduzierende Photosynthese zu betreiben und in vielen der gleichen Umgebungen wie eukaryotische Algen leben, sind Cyanobakterien gramnegative Bakterien und gehören daher zu den Prokaryoten. Sie sind auch in der Lage, eigenständig Stickstofffixierung zu betreiben, d.h. atmosphärischen Stickstoff in verwertbare Formen des Elements wie Ammoniak umzuwandeln.

Die Vorsilbe „Cyano“ bedeutet blau. Diese Bakterien haben Pigmente, die bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren und ihnen ihre charakteristischen Farben verleihen. Viele Cyanobakterien haben das blaue Pigment Phycocyanin, ein Lichtsammelpigment (es absorbiert rote Wellenlängen des Lichts). Alle Cyanobakterien haben eine Form des grünen Pigments Chlorophyll, das für die Gewinnung von Lichtenergie während des photosynthetischen Prozesses verantwortlich ist (Current Biology, 2014). Einige andere haben auch das rote Pigment Phycoerythrin, das Licht im grünen Bereich absorbiert und den Bakterien eine rosa oder rote Farbe verleiht.

Eukaryotische Algen

Die eukaryotischen Algen sind polyphyletisch, was bedeutet, dass sie sich nicht aus einem einzigen gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben. Dies zeigt sich deutlich in unserem heutigen Verständnis des Stammbaums des Lebens – ein Stammbaum aller lebenden Organismen, der nach ihren verschiedenen evolutionären Beziehungen geordnet ist. Eukaryotische Algen sind auf viele verschiedene Gruppen oder Hauptzweige des Baums verteilt.

In einem 2014 in der Zeitschrift Cold Spring Harbor Perspectives in Biology veröffentlichten Übersichtsartikel führt der Autor Fabien Burkil fünf Supergruppen eukaryotischer Organismen auf: Ophiskontha, Amoebozoa, Excavata, Archaeplastida und SAR (die drei Gruppen Stramenopiles, Alveolata und Rhizaria umfasst).

Die Archaeplastida umfassen Pflanzen und eine Vielzahl photosynthetischer Algenarten wie die Chlorophyten (eine Untergruppe der Grünalgen), Charophyten (hauptsächlich Süßwassergrünalgen) und Glaucocystophyten (einzellige Süßwasseralgen). Chlorophyten sind die Grünalgen, die in der Regel Flechtenpartnerschaften mit Pilzen eingehen.

Dinoflagellaten sind innerhalb der Alveolata zu finden. Sie sind hauptsächlich einzellige Meeres- und Süßwasserorganismen. Viele Dinoflagellaten haben im Laufe der Evolution ihre Plastiden – den Ort der Photosynthese – verloren und sind phagotrop oder leben als Parasiten. Wieder andere Algenarten finden sich verteilt unter Alveolata, Excavata, Rhizaria und Chromista (Current Biology, 2014).

Bedeutung

Der wohl wichtigste Beitrag der Algen zu unserer Umwelt und unserem Wohlbefinden ist die Erzeugung von Sauerstoff durch Photosynthese. „Algen sind unverzichtbar, weil sie etwa die Hälfte des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre produzieren“, so Graham gegenüber LiveScience.

Nach einem 2010 in der Zeitschrift Biofuels veröffentlichten Übersichtsartikel stammt Erdöl teilweise aus alten Algenvorkommen. „Einige sehr alte Ölvorkommen werden auf Cyanobakterien zurückgeführt, obwohl die Identität der Produzenten noch unklar ist“, so Graham. „Jüngere Ölvorkommen stammen wahrscheinlich von eukaryotischen marinen Grünalgen, Coccolithophoriden und anderem mikroskopisch kleinen marinen Phytoplankton.“ Diese Ölvorkommen sind eine begrenzte Ressource und gehen durch die menschliche Nutzung langsam zur Neige. Daher suchen Forscher nach erneuerbaren Alternativen.

Algen-Biokraftstoffe sind ein vielversprechender Ersatz für fossile Brennstoffe. Alle Algen sind in der Lage, energiereiche Öle zu produzieren, und mehrere Mikroalgenarten haben von Natur aus einen hohen Ölgehalt in ihrer Trockenmasse. Außerdem sind Algen in verschiedenen Lebensräumen zu finden und können sich schnell vermehren. Außerdem nutzen sie Kohlendioxid effizient. „Algen tragen dazu bei, den Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre stabil zu halten, indem sie organische Materialien wie Ölvorkommen und anorganisches Karbonatgestein speichern“, so Graham. Grünalgen, Kieselalgen und Cyanobakterien sind nur einige der Mikroalgenarten, die als gute Kandidaten für die Herstellung von Biokraftstoff gelten (Biokraftstoffe, 2010).

Algenblüten

Algen in Form von Algenblüten haben einen schlechten Ruf, weil sie giftige Bedingungen in Meeren und Seen schaffen. „Algenblüte“ bezieht sich auf das zügellose Wachstum bestimmter Mikroalgen, was wiederum zur Produktion von Toxinen, zur Störung der natürlichen aquatischen Ökosysteme und zur Erhöhung der Kosten für die Wasseraufbereitung führt, so die Environmental Protection Agency (EPA). Die Blüte nimmt die Farben der in ihr enthaltenen Algen an. Graham zufolge sind bestimmte Dinoflagellaten und Kieselalgen die Hauptgiftproduzenten in den Ozeanen. In Süßgewässern sind Cyanobakterien die Haupttoxinproduzenten, obwohl auch einige eukaryotische Algen Probleme verursachen. Unter natürlichen Bedingungen, so Graham, nutzen die Algen die Toxine, um sich davor zu schützen, von kleinen Tieren gefressen zu werden, und brauchen nur eine geringe Menge, um sich selbst zu schützen.

Die Hauptursache für Algenblüten ist ein Phänomen, das als Nährstoffverschmutzung bezeichnet wird. Bei der Nährstoffverschmutzung gibt es einen Überschuss an Stickstoff und Phosphor, der die Algen zu ungehemmtem Wachstum anregen kann. Dieses Phänomen wird durch eine Reihe menschlicher Aktivitäten verursacht. Die von uns in der Landwirtschaft verwendeten Düngemittel und Tierdünger sind reich an Stickstoff, während unsachgemäß behandelte Abwässer laut EPA einen hohen Stickstoff- und Phosphorgehalt aufweisen.

„Es ist eine weit verbreitete Meinung in der Gesellschaft, dass Algen schädlich sind und bei jeder Gelegenheit beseitigt werden sollten. Aber diese Auffassung ist falsch, denn Algen produzieren Sauerstoff, Fisch, Öl und viele andere nützliche Stoffe“, so Graham gegenüber LiveScience. „Nur wenige Arten verursachen Probleme, und die schlimmste von ihnen ist der Homo sapiens“.

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