Bedeutung mycosporinähnlicher Substanzen in alpinen Seen

Über verschiedenen Bereichen der Erde verändert die stratosphärische Ozonreduktion die spektralen Eigenschaften der UV-Strahlung, was zu einer Zunahme der UV-B-Strahlung (290-320 nm) führt. Ultraviolette Sonnenstrahlung (UVR, 290-400 nm) dringt tief in klare Hochgebirgsseen ein, ihre ökologische Bedeutung konnte bereits in mehreren Untersuchungen aufgezeigt werden. Alpine Seen weisen aufgrund ihres geringen Gehalts an gelöstem, organischen Material generell eine sehr hohe UV-Transparenz auf. Diese transparenten Seen stehen deshalb unter grossem wissenschaftlichen Interesse, besonders auch, wenn man ein Szenario zunehmender UV-B-Strahlung durchspielt. Organismen, die in solchen Ökosystemen leben, müssen Anpassungsmechanismen entwickelt haben, um mit diesen hohen Strahlungswerten umgehen zu können. Die Untersuchung dieser Mechanismen und Strategien ist ein wichtiger Schritt, um mögliche negative Effekte erhöhter UV-B-Strahlungswerte besser verstehen zu können. Während der letzten Jahre richtete sich die Aufmerksamkeit besonders auf eine Gruppe intrazellulärer Sonnenschutzverbindungen, bekannt als mycosporinähnliche Aminosäuren (MAAs). Diese Substanzen sind innerhalb mariner Organismen weit verbreitet, allerdings gibt es keine Informationen über die ökologische Bedeutung der MAAs im Freiwasser und in Süßwasserorganismen, vor allem da diese Verbindungen erst kürzlich in Gewässern nachgewiesen wurden. Der Hauptschwerpunkt des geplanten Forschungsvorhabens liegt darin, den Informationsmangel über die ökologische Bedeutung der MAAs in alpinen Seen zu decken, und die folgenden Fragen zu bearbeiten: Wie weitverbreitet sind MAAs im Phytoplankton von Seen unterschiedlicher UV- Transparenz? Wie beeinflusst das Lichtklima die Synthese der MAAs im Phytoplankton? Wie wird dieser Sonnenschutz innerhalb der planktischen Süßwassercrustaceen erreicht, und welche Bedeutung spielt er für die aus der Literatur bekannte UV-Resistenz bestimmter Arten? Machen MAAs in Seen einen signifikanten Bestandteil des gelösten organischen Materials aus? Diese Fragen sollen sowohl in Laborexperimenten als auch in Freilanduntersuchungen während eines drei Jahre dauernden Projekts beantwortet werden. Eine wichtige Komponente liegt auch im Optimieren verschiedener Methoden. Diese Untersuchung wird unser Wissen über die potentiellen Bedeutungen der MAAs in Hochgebirgsseen, aber auch über deren Dynamik und Effizienz als Sonnenschutz, erweitern.

Ultraviolette (UV) Strahlung spielt in den meisten Hochgebirgsseen eine wichtige ökologische Rolle, da diese Gewässer einerseits sehr seicht und transparent sind, und andererseits die Strahlungsintensität mit steigender Höhenlage zunimmt. Im Laufe der Evolution entwickelten Gewässerorganismen verschiedene Strategien, um der biologisch schädigenden UV-Strahlung entweder auszuweichen (zB Wandern in größere Tiefen) oder sich an diese anzupassen (zB Schutzpigmente). Kentnnisse über diese Anpassungen sind von großer Bedeutung, um potentielle Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme durch eine erhöhte UVB-Strahlung (Zerstörung der Ozonschicht) voraussagen zu können. Ein Hauptergebnis dieses Projektes war, dass natürliche UV-absorbierende Sonnenschutzsubstanzen, sogenannte mykosporinähnliche Aminosäuren oder abkekürzt MAAs, in pflanzlichen (Mikroalgen) und tierischen (Zooplankton) Kleinstorganismen weit verbreitet sind. Untersuchungen der Mikroalgen aus Gebirgsseen verschiedener Höhenlage zeigten aber sehr unterschiedliche MAA-Konzentrationen, wobei die klarsten und flachsten Seen die höchsten Konzentrationen aufwiesen. Innerhalb der Seen nahm die MAA- Konzentration mit zunehmender Tiefe ab, was auf die Sonnenschutzfunktion dieser Substanzen hinweist. Auch im Zooplankton, das diese Substanzen über die Nahrung aufnehmen muß, konnten MAAs gefunden werden, jedoch nicht in allen der untersuchten Arten. Diese Unterschiede spiegeln die große Spannweite in der UV Empfindlichkeit dieser Tiere wider. Die Menge an MAAs im häufig vorkommenden Kleinkrebs Cyclops stand in direktem Zusammenhang mit der Höhenlage und der Transparenz der Seen. Im jahreszeitlichen Verlauf zeigte sich in den Mikroalgen und dem Zooplankton ein klarer Trend von sehr hohen MAA-Konzentrationen in der eisfreien Zeit, und einem Minimum unter Eisbedeckung. Innerhalb der verschiedenen Lebensstadien des Ruderfußkrebses wurden die höchsten MAA-Konzentrationen in den Eiern bzw. in den Larvenstadien gefunden, die jeweils zu Zeiten höchster UV-Strahlenintensität im See auftraten. Selbst im Labor ohne weiteren Zusatz von MAA-haltiger Nahrung behielten diese Tiere über mehrere Monate ihre hohen MAA-Konzentrationen bei, was auf eine effiziente Anpassung hindeutet. Es zeigte sich auch, dass MAAs in bestimmten Körperteilen der Tiere zB in den Antennen und im Rückenbereich besonders konzentriert vorkamen. Generell scheinen in kalten Gewässerökosystemen, zu denen die untersuchten Hochgebirgsseen aber auch Antarktische Systeme gehören, MAAs die bedeutenste Anpassung an hohe UV-Strahlung zu sein. Die besonderen Eigenschaften (zB chemische Stabilität) dieser natürlich vorkommenden Sonnenblocker könnten in Zukunft als Vorlage für die Herstellung von Sonnenschutzmitteln dienen.