17.04.2009 · Riesige Algenteppiche können erhebliche Folgen für Ökosysteme haben. Forscher haben nun gezeigt, dass die Ursache für solche Teppiche in bestimmten Strömungsverhältnissen liegen könnte.
Von Markus Breidenich
© Nasa
Phytoplankton-Wolke vor der kalifornischen Küste (Satellitenaufnahme)
Immer wieder sorgen Teppiche von Phytoplankton im Meer für Aufsehen und für spektakuläre Satellitenbilder. So auch vor drei Jahren, als sich die zu den Pflanzen zählenden Organismen vor der Westküste Irlands über eine Strecke von 500 Kilometern ausbreiteten. Derartige Planktonansammlungen mit Dicken zwischen einigen Zentimetern und einigen Metern können erhebliche Folgen für das Ökosystem haben, nicht zuletzt weil sich darunter häufig giftige Arten befinden.
Noch immer sind die Ursachen, die zur Entstehung konzentrierter Planktongebiete führen, nur unzureichend bekannt. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und von der University of Arizona in Tucson haben einen möglichen Mechanismus gefunden. Danach kommen bestimmte Wasserströmungen als Ursache für die ausgedehnten Planktonteppiche in Frage.
Mit drehenden Geiseln nach oben
Im Phytoplankton schwimmen Algen, die sich aktiv mit Flagellen fortbewegen können, und solche, die lediglich passiv mit der Wasserströmung treiben. Frühere Forschungsarbeiten hatten gezeigt, dass in den Teppichen vor allem Organismen anzutreffen sind, die sich selbst fortbewegen können. Die Forscher um Roman Stocker konzentrierten sich bei ihren Untersuchungen deshalb auf die mit jeweils zwei Geißeln ausgestattete Chlamydomonas nivalis und die giftige Art Heterosigma akashiwo.
Normalerweise bewegen sich die Algen im Wasser ähnlich wie Hubschrauber in der Luft. Die Drehung der beiden Geißeln bewirkt einen Zug auf den Körper, der den Organismus nach oben zur Wasseroberfläche befördert. Damit die Alge nach oben schwimmen kann, hat es die Natur eingerichtet, dass der Schwerpunkt unterhalb des eigentlichen geometrischen Körpermittelpunkts liegt.
Der Algenkörper verhält sich dadurch gewissermaßen wie ein Pendel, das sich, wenn man es zur Seite neigt, mit einer kurzen gedämpften Schwingung wieder in die Senkrechte dreht. Die Flagellen zeigen dabei stets nach oben. Was aber geschieht, wenn sich die Alge nicht in ruhigem Wasser bewegt, sondern - wie es im Meer meist der Fall ist - in einer horizontalen Strömung, bei der sich die Stärke der Strömung rasch nach oben hin verändert?
Strömung imVersuchsbecken
Um diese Frage zu klären, füllten die Wissenschafter eine Kammer von 37 mal 22 Zentimetern Grundfläche und einem Zentimeter Höhe mit Wasser. Die Wasseroberfläche wurde von einer Art Fließband überspannt, das sich mit einer Geschwindigkeit von rund zwanzig Millimetern pro Sekunde parallel zur Oberfläche bewegte.
Dadurch entstand eine horizontale Scherströmung, wobei die Wassergeschwindigkeit, die an der Oberfläche maximal war, nach unten zum Boden hin abnahm. Die Forscher gaben die Algen in die Kammer und beobachteten die Bewegung der Einzeller mit einer Videokamera. Bereits nach einigen Minuten bildete sich in fünf Millimeter Höhe über dem Grund ein ausgedehnter Algenteppich ("Science", Bd. 323, S. 1067).
Auflösung mit Physik
Als die Forscher den Einflüssen nachgingen, denen die Algen im Becken unterliegen, stießen sie auf ein kompliziertes Wechselspiel von Strömung und Schwerkraft. Aufgrund des Geschwindigkeitsgradienten nimmt die Stärke der Strömung entlang des Algenkörpers von unten nach oben hin zu. Der Organismus ist dadurch einem Drehmoment ausgesetzt, das ihn aus der Senkrechten kippt. Die Schwerkraft wirkt dem entgegen.
In einem niedrigen Geschwindigkeitsgefälle, also nahe dem Beckenboden, hat die Alge nur wenig Schieflage und schwimmt leicht schräg nach oben. Dabei gelangt sie in Schichten mit stärkerer Strömung, wobei sich die Schräglage zusehends vergrößert. Diese erreicht an einer bestimmten Stelle einen kritischen Wert, nämlich dann, wenn das Drehmoment aufgrund der Scherströmung größer ist als die dagegen gerichtete Schwerkraft. Die Alge findet nun keine Gleichgewichtslage mehr und dreht sich fortan nur noch im Kreis. Sie sitzt damit gewissermaßen in der Falle.
Da die Flagellen keine gerichtete Bewegung mehr ausführen können, schaffen es die Algen, die in diese Strömungsschicht geraten sind, nicht aus eigener Kraft wieder heraus. Die Folge ist eine dichte Ansammlung von Algen, wie sie die Forscher in dem Experimentierbecken beobachtet haben. Der Mechanismus, der im Experimentierbecken offenkundig wirkt, könnte auch auf hoher See zu den Teppichen führen. Simulationen zeigen, dass in Küstengewässern ähnliche Scherströmungen herrschen wie im Laborbecken der MIT-Forscher.
