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Photosynthesis in near darkness

Research team publishes new results of the MOSAiC project
[Translate to English:] Ocean city and Balloon Town
Ocean city and Balloon Town (Photo: Alfred Wegener Institute / rbb / UFA Show & Factual)

Photosynthesis can take place in nature even at extremely low light levels. This is the result of an international study that investigated the development of Arctic microalgae at the end of the polar night. The measurements were carried out as part of the MOSAiC expedition at 88° northern latitude and revealed that even this far north, microalgae can build up biomass through photosynthesis as early as the end of March. At this time, the sun is barely above the horizon, so that it is still almost completely dark in the microalgae's habitat under the snow and ice cover of the Arctic Ocean. The results of the study now published in the journal Nature Communications show that photosynthesis in the ocean is possible under much lower light conditions, and can therefore take place at much greater depths, than previously assumed.

Photosynthese wandelt Sonnenlicht in biologisch nutzbare Energie und bildet damit die Grundlage allen Lebens auf unserem Planeten. Bisherige Messungen der hierfür benötigten Lichtmenge lagen allerdings immer deutlich über dem theoretisch möglichen Minimum. Eine neue Studie in der Fachzeitschrift Nature Communications zeigt, dass der Aufbau von Biomasse tatsächlich bei einer Lichtmenge stattfinden kann, die nahe dieses Minimums liegt. 

Die Forscherinnen und Forscher nutzten für ihre Arbeit Messdaten des internationalen MOSAiC-Forschungsprojekts. Als Teil der Expedition ließen sie sich 2019 für ein Jahr mit dem deutschen Forschungseisbrecher Polarstern in der zentralen Arktis einfrieren, um den Jahresgang des arktischen Klima- und Ökosystems zu untersuchen. Der Fokus des Teams um Dr. Clara Hoppe vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) lag dabei auf der Untersuchung von Phytoplankton und Eisalgen. Diese sind für den Großteil der Photosynthese in der zentralen Arktis verantwortlich. Die Messungen zeigten dabei unerwarteterweise, dass schon wenige Tage nach dem Ende der monatelangen Polarnacht wieder pflanzliche Biomasse aufgebaut wurde, wofür Photosynthese zwingend notwendig ist. Extrem empfindliche Lichtsensoren im Eis und im Wasser erlaubten es, die hierfür verfügbare Lichtmenge zu messen. 

Die Ergebnisse waren besonders überraschend, weil die Photosynthese im Arktischen Ozean unter schneebedecktem Meereis stattfand, das nur wenige Photonen des einfallenden Sonnenlichts hindurchlässt: Den Mikroalgen stand für ihr Wachstum nur etwa ein hunderttausendstel der Lichtmenge eines sonnigen Tages auf der Erdoberfläche zur Verfügung. „Es ist sehr beeindruckend zu sehen, wie effizient die Algen solch niedrige Lichtmengen nutzen können. Dies zeigt einmal mehr, wie gut Organismen an ihre Umwelt angepasst sind“, sagt Clara Hoppe. 

Erarbeitet werden konnte die Studie durch die enge Zusammenarbeit von Forschenden aus verschiedenen Fachrichtungen. Die Meereis-Forscher Dr. Niels Fuchs und Prof. Dirk Notz vom Institut für Meeresforschung an der Universität Hamburg waren dabei für die Zusammenführung von Messungen des Lichtfeldes mit den biologischen Messungen verantwortlich. „Für die Messungen von so niedrigen Lichtmengen unter den harschen Bedingungen des arktischen Winters mussten wir mitten in der Polarnacht spezielle, neuentwickelte Messgeräte in das Eis einfrieren“, erläutert Niels Fuchs. Sein Kollege Dirk Notz fügt hinzu, dass es dabei besonders schwierig war, Ungleichmäßigkeiten im Lichtfeld unter dem Eis durch Schwankungen in Eisdicke und Schnee zu berücksichtigen: „Am Ende konnten wir aber sicher sein: Mehr Licht war da nicht.“

Die Ergebnisse der nun veröffentlichen Studie sind von Bedeutung für den gesamten Planeten. „Auch wenn unsere Ergebnisse spezifisch aus dem Arktischen Ozean stammen, zeigen sie wozu die Photosynthese insgesamt in der Lage ist. Wenn sie unter den herausfordernden Bedingungen der Arktis so effizient ist, kann man davon ausgehen, dass sich Organismen auch in anderen Regionen der Meere so gut angepasst haben“, ordnet Clara Hoppe die Ergebnisse ein. Damit wäre auch in tieferen Bereichen der Meere genügend Licht vorhanden, um durch Photosynthese nutzbare Energie und Sauerstoff zu produzieren, die dann zum Beispiel für Fische zur Verfügung stehen. Der entsprechende photosynthetische Lebensraum im Ozean könnte damit global deutlich größer sein als bisher angenommen.

Original publication

Clara J.M. Hoppe, Niels Fuchs, Dirk Notz, Philip Anderson, Philipp Assmy, Jørgen Berge, Gunnar Bratbak, Gaël Guillou, Alexandra Kraberg, Aud Larsen, Benoit Lebreton, Eva Leu, Magnus Lucassen, Oliver Müller, Laurent Oziel, Björn Rost, Bernhard Schartmüller, Anders Torstensson, Jonas Wloka: Photosynthetic light requirement near the theoretical minimum detected in Arctic microalgae, Nature Communications (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51636-8

Contact

Science

Clara Hoppe
+49(471)4831-2096

Press Office

Folke Mehrtens
+49(0)471 4831-2007

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[Translate to English:] Ocean city and Balloon Town
Ocean City and Balloon Town with the tethered balloon Miss Piggy in the air measuring physical properties of the lower atmosphere. (Photo: Alfred Wegener Institute / rbb / UFA Show & Factual)
[Translate to English:] Ocean City
CTD-rosette with waterbottles re-surfacing from the ocean during MOSAiC expedition. (Photo: Alfred Wegener Institute / Michael Gutsche)
[Translate to English:] Ocean City
Ocean City auf der MOSAiC-Scholle. (Photo: Alfred Wegener Institute / Saga Svavarsdottir)
[Translate to English:] CTD, Ocean City, Ying-Chih Fang
Ying-Chih Fang checks CTD before deployment in Ocean City. (Photo: Alfred Wegener Institute / Esther Horvath)
[Translate to English:] Balloon-Town and Ocean City
Balloon-Town and Ocean City with low standing sun and steaming leads in the background on the MOSAiC ice floe. (Photo: Alfred Wegener Institute / Michael Gutsche)
[Translate to English:] Balloon-Town
Balloon Town on the horizon and low sun. (Photo: Alfred Wegener Institute / Michael Gutsche)
[Translate to English:] Arctic scenery
Arctic scenery with impressive ridge systems (Photo: Alfred Wegener Institute / Michael Gutsche)
[Translate to English:] Ocean City
Team Ocean lowering the CTD rosette with 12 big waterbottles into the ocean. (Photo: Alfred Wegener Institute / Michael Gutsche)
[Translate to English:] Schematische Darstellung ozeanografische Messungen
Schematic representation of oceanographic measurements during the MOSAiC expedition. (Photo: Alfred-Wegener-Institut)