Überwinterungsstrategien polarer Copepoden: Physiologische Kontrollmechanismen und Auftriebsregulation durch Ammonium
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Copepoden spielen eine entscheidende Rolle im marinen Nahrungsnetz. Sie leiten Energie von der Primärproduktion zu höheren trophischen Stufen und tragen durch den Export von organischem Material wesentlich zum Kohlenstoffzyklus bei. Im Südlichen Ozean stellt die ausgeprägte Saisonalität der Primärproduktion den wohl bedeutendsten Faktor für die Anpassungen herbivorer Copepoden dar. Um dem Nahrungsmangel während der Wintermonate zu entgehen, führen manche Arten ontogenetische, saisonale Vertikal-Wanderungen mit einem Ruhestadium in großer Tiefe, genannt Diapause, durch. Während der Diapause nehmen Copepoden keine Nahrung auf und verringern ihren Stoffwechsel. Man geht davon aus, dass sie neutralen Auftrieb aufweisen, um Energieverschwendung durch aktives Schwimmen zu vermeiden. Bisher wurden jedoch noch keine experimentellen Studien oder Beobachtungen bezüglich des Auftriebs von antarktischen Copepoden durchgeführt. Zudem sind die Faktoren, die für die zeitliche Abfolge der Vertikalwanderung und der damit verbundenen Diapause verantwortlich sind, sowie die physiologischen Mechanismen der Auftriebsregulation nach wie vor weitgehend ungeklärt. Die vorliegende Studie testet eine neue Hypothese, nach der ein Ionenaustausch für die Auftriebsregulation und ein niedriger pH für die Stoffwechselreduzierung während der Diapause zuständig sind. Der Austausch von Ionen mit einer höheren Dichte und die Anreicherung von Ammonium (NH4+) mit einer niedrigeren Dichte ist bereits als Auftriebsmechanismus in einer Reihe mariner Invertebraten bekannt. Um Ammonium in seiner weniger toxischen, ionisierten Form zu speichern, ist ein niedriger pH notwendig. Da niedrige pH Werte dafür bekannt sind, für die Reduzierung des Metabolismus verantwortlich zu sein, könnten sie nicht nur als Voraussetzung für die Anreicherung von Ammonium, sondern auch der Stoffwechselreduzierung während der Diapause der Copepoden dienen. Bei der Diapause-Art "Calanoides acutus" konnte ein neutraler Auftrieb während des antarktischen Winters festgestellt werden. Im Gegensatz dazu wies die aktiv überwinternde Art "Calanus propinquus" negativen Auftrieb auf. Ruhende und aktive Arten unterschieden sich signifikant in ihrer extrazellulären Ionenzusammensetzung. Die Hämolymphe der aktiven Arten glich in ihrer Kationenzusammensetzung der von Seewasser. In inaktiven Arten wurden hingegen sehr hohe Konzentrationen von bis zu 530 mmol L-1 Ammonium festgestellt. Erhöhte Ammonium-Werte gingen mit reduzierten Konzentrationen der übrigen Kationen Natrium (Na+), Calcium (Ca2+) und Magnesium (Mg2+) einher. Darüber hinaus lagen niedrige pH-Werte von ≤6 in der Hämolymphe vor. Der Austausch von Kationen einer höheren Dichte gegen Ammonium mit einer niedrigeren Dichte verringert die Gesamtdichte des Individuums und unterstützt die Regulation von energiesparendem, neutralem Auftrieb während der Diapause. Die vorliegende Studie trägt zu einem besseren Verständnis der Regulation und den damit verbundenen Mechanismen von Diapause und Auftrieb bei dominanten Copepoden-Arten bei. Da Polargebiete besonders stark von den Auswirkungen des globalen Klimawandel betroffen sind, leisten Studien zu den Anpassungsstrategien und physiologischen Mechanismen polarer Copepoden einen wichtigen Beitrag, um potentielle Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem verstehen und vorhersehen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013) Control of diapause by acidic pH and ammonium accumulation in the hemolymph of Antarctic copepods. PLoS ONE 8(10): e77498
Schründer S, Schnack-Schiel SB, Auel H, Sartoris FJ
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(2014) Observations of neutral buoyancy in diapausing copepods Calanoides acutus during Antarctic winter. Polar Biol 37: 1369-1371
Schründer S, Schnack-Schiel SB, Auel H, Sartoris FJ
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(2015) Overwintering strategies in polar copepods: Physiological mechanisms and buoyancy regulation by ammonium. Doctoral thesis, Universität Bremen
Schründer S
