Früher wurden Cyanobakterien fälschlicherweise zu den Algen gezählt.

Schematische Darstellung verschiedener photoautotropher Zellen

Benenne die Zellbestandteile 1 – 8 der dargestellten Zellen A – С.

Begründe an zwei Merkmalen, welche der Abbildungen keine Algenzelle zeigt.

Geißelalgen (Dinoflagellaten) gehören zu den Mikroalgen. Einige Vertreter besitzen spezielle Organellen, die Scintillons. In diesen sind die Moleküle Luciferin, das Luciferin-bindende Protein (LBP) und das Enzym Luciferase enthalten. Unter bestimmten Bedingungen können Geißelalgen das Meeresleuchten hervorrufen.

Prozesse in Scintillons von Geißelalgen

Erläutere mithilfe der Abbildung, dass ein Kontakt von Geißelalgen mit Zooplankton das Meeresleuchten auslösen kann.

Kieselalgen bilden die artenreichste Gruppe der Algen und produzieren ca. 25 % des weltweiten Sauerstoffs. Sie nehmen Kieselsäure aus dem Meerwasser auf und stellen Siliziumdioxid für den Aufbau ihrer Zellwand her. In einem Laborexperiment wurde das Populationswachstum der beiden Kieselalgenarten, Asterionella formosa und Synedra ulna, untersucht.

Zeit in Tagen	1	2	6	8	12	16	22	26
Zellzahl Asterionella x103	1	3	10	30	40	50	52	53
Zellzahl Synedra x103	0,9	4	7	8	8	8	9	8

Versuch 1: Haltung beider Algen in separaten Gefäßen mit einer begrenzten Menge Kieselsäure

Zeit in Tagen	1	2	6	8	12	16	22	26
Zellzahl Asterionella x103	1	2	7	8	7	3	2	1
Zellzahl Synedra x103	0,1	0,8	7	8	8	8	8	8

Versuch 2: Haltung beider Algen in einem Gefäß mit einer begrenzten Menge Kieselsäure

Stelle die Versuchsergebnisse graphisch dar.

Interpretiere die Ergebnisse des zweiten Versuchs.

Rotalgen können im Gegensatz zu anderen Algen in größeren Wassertiefen Fotosynthese betreiben.

Begründe mithilfe der Diagramme, dass Rotalgen auch in einer Meerestiefe von 150 m Fotosynthese betreiben können.

Heutzutage treten Algenblüten häufiger auf als noch vor 20 Jahren. Untersuchungen des Forscherteams um Dr. Sabine Hilt vom Leibnitz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei belegen, dass der zunehmende Eintrag von Nitrat-Ionen (NO₃^–) sowie die Klimaerwärmung zu den wesentlichen Ursachen zählen.

Nach: https://www.igb-berlin.de

Begründe, ausgehend von den Forschungsergebnissen, das vermehrte Auftreten der Algenblüten.

Wenn die bei der Algenblüte gebildeten gewaltigen Algenteppiche ans Land gespült werden, kann bei ihrer Verwesung das Gas Schwefelwasserstoff entstehen. Das Schwefelwasserstoff-Molekül bindet u. a. im Blut an das Sauerstofftransportmolekül Hämoglobin.

Erläutere die letale Wirkung von Schwefelwasserstoff auf den menschlichen Organismus.

Algen der Gattung Chlamydomonas leben autotroph und können unter Stressbedingungen das Gas Wasserstoff produzieren.

Stoffwechselwege von Algen der Gattung Chlamydomonas (schematische Darstellung)

I - III – Proteinkomplexe

IV – ATP-Synthase

H₂ase – Hydrogenase

Vergleiche tabellarisch die Stoffwechselwege A und B hinsichtlich der Ausgangsstoffe, Reaktionsprodukte, Bedeutung der Wasserstoff-Ionen und Elektronen für die ATP-Synthese.

Leite die Folge der Wasserstoffproduktion für das Wachstum von Algen der Gattung Chlamydomonas ab.

Die Alge Chlamydomonas reinhardtii ist in der Lage, sich über zwei verschiedene Formen fortzupflanzen.

Schematische Darstellung von Fortpflanzungsformen von Chlamydomonas reinhardtii

Hinweis: mt- und mt+ sind verschiedene Typen von Keimzellen.

Benenne die Fortpflanzungsformen A und B von Chlamydomonas reinhardtii und ordne die dabei ablaufenden Kernteilungsprozesse den Fortpflanzungsformen zu.

Erläutere einen Vorteil der Fortpflanzungsform A bei sich verändernden Umweltbedingungen und einen Vorteil der Fortpflanzungsform B bei gleichbleibenden Umweltbedingungen für die Art Chlamydomonas reinhardtii.

Schirmalgen der Gattung Acetabularia haben ein hohes Regenerationsvermögen. Das wurzelähnliche Haftorgan (Rhizoid), das auch den Zellkern trägt, befestigt die Alge am Boden. Die beiden Arten Acetabularia mediterranea und Acetabularia crenulata unterscheiden sich durch Größе und Form ihres Schirms.

Transplantationsversuche mit Schirmalgen

Werte die Ergebnisse der Versuche 1 und 2 aus.

Stelle eine begründete Vermutung zum Phänotyp des sich bildenden Schirms in Versuch 3 auf.

Benennung der Zellbestandteile

1: Ribosom

2: Bakterienchromosom

3: Zellplasma

4: Mitochondrium

5: Zellmembran

6: Zellwand

7: Chloroplast

8: Zellkern

Differenzierung zwischen Algen- und Prokaryotenzellen

Auf Basis der morphologischen Merkmale lässt sich eindeutig feststellen, dass Abbildung A keine Algenzelle darstellt. Da Algen zu den eukaryotischen Organismen zählen, weisen sie einen komplexen Zellbau mit membranumschlossenen Organellen auf. Abbildung A hingegen zeigt eine prokaryotische Zelle (Cyanobakterium), was sich an zwei wesentlichen Kriterien begründen lässt:

Erstens liegt das genetische Material in Zelle A als Bakterienchromosom frei im Cytoplasma vor, ohne von einer schützenden Kernhülle umgeben zu sein. In echten Algenzellen (B und C) ist die DNA hingegen strikt im Zellkern lokalisiert. Zweitens fehlt der Zelle A die für Eukaryoten charakteristische Kompartimentierung. Während die Algenzellen über spezialisierte Reaktionsräume wie Mitochondrien und Chloroplasten verfügen, findet man in Zelle A keine derartigen membrangebundenen Organellen. Diese strukturelle Einfachheit ist ein definitives Ausschlusskriterium für die Einordnung als Algenzelle.

Physiologische Grundlagen des Meeresleuchtens

Das faszinierende Phänomen des Meeresleuchtens bei Geißelalgen (Dinoflagellaten) beruht auf einer präzisen Reiz-Reaktions-Kette, die durch mechanische Interaktionen in der marinen Umwelt ausgelöst wird. Kommt eine Geißelalge in direkten Kontakt mit Zooplankton, führt dies zu einer mechanischen Verformung der Zellwand. Diese physikalische Einwirkung wird in ein elektrisches Signal übersetzt, welches die Membran der spezialisierten Organellen, der Scintillons, erreicht.

In der Membran dieser Scintillons befinden sich spannungsgesteuerte Protonenkanäle, die sich infolge des elektrischen Impulses öffnen. Dies ermöglicht einen massiven Einstrom von Protonen in das Innere der Scintillons, wodurch der pH-Wert drastisch von einem alkalischen Milieu in einen sauren Bereich absinkt. Diese Änderung der Protonenkonzentration fungiert als der entscheidende molekulare Schalter für die nachfolgende Lichtreaktion.

Enzymatische Lichtfreisetzung in den Scintillons

Die Absenkung des pH-Wertes auf 6 löst zwei simultane Prozesse aus, die für die Biolumineszenz essenziell sind. Zum einen verändert sich die Affinität des Luciferin-bindenden Proteins (LBP), welches im Ruhezustand das Luciferin fest bindet und so vor vorzeitiger Oxidation schützt. Durch die pH-Änderung wird das Luciferin aus dem Luciferin-LBP-Komplex freigesetzt. Zum anderen wird das Enzym Luciferase durch das saure Milieu aus seiner inaktiven Form in einen katalytisch aktiven Zustand überführt.

Die nun aktive Luciferase katalysiert die Oxidation des freien Luciferins unter Einbeziehung von molekularem Sauerstoff (). Bei dieser enzymatisch gesteuerten Reaktion wird chemische Energie in Lichtenergie umgewandelt, was als charakteristisches blaues Leuchten wahrnehmbar ist. Nach der Lichtfreisetzung liegt das Luciferin in einer oxidierten Form vor, während die Luciferase wieder in den inaktiven Zustand zurückkehrt, sobald der Protonengradient abgebaut und der pH-Wert im Scintillon wieder ansteigt.

Grafische Darstellung der Versuchsergebnisse

Hinweis: Es handelt sich um eine qualitative Darstellung der visualisierten Messergebnisse. Zur Erreichung der vollen Punktzahl ist unbedingt auf die genaue Auftragung der Messdaten zu achten.

Interpretation der interspezifischen Konkurrenz

In der Analyse des zweiten Versuchs lassen sich zwei Phasen der Populationsentwicklung unterscheiden. Bis zum achten Tag ist bei beiden Algenarten eine kontinuierliche Zunahme der Individuenzahl festzustellen. Dies begründet sich dadurch, dass die Ressourcen im Medium, insbesondere die für den Aufbau der Siliziumdioxid-Zellwände essenzielle Kieselsäure, zu diesem Zeitpunkt noch in ausreichenden Mengen für beide Populationen zur Verfügung stehen.

Ab dem neunten Tag verändert sich die Dynamik zugunsten von Synedra ulna. Während deren Zellzahl stabil bleibt oder leicht ansteigt, ist bei Asterionella formosa eine deutliche Abnahme des Zellwachstums zu beobachten. Diese Entwicklung resultiert aus der interspezifischen Konkurrenz um das limitierende Siliciumdioxid (). Ohne ausreichende Kieselsäure kann Asterionella formosa keine stabilen Zellwände mehr synthetisieren, was die Überlebensfähigkeit der Population einschränkt. Da Synedra ulna offensichtlich konkurrenzstärker gegenüber dem limitierenden Faktor ist, verdrängt sie die andere Art sukzessive aus dem gemeinsamen Lebensraum. Dieses Phänomen ist ein klassischer Beleg für das Konkurrenzausschlussprinzip, nach dem zwei Arten mit identischen Ansprüchen an eine begrenzte Ressource nicht dauerhaft koexistieren können.

Strategien der Lichtnutzung in extremen Meerestiefen

Wie die Analyse der Absorptionsspektren zeigt, verfügen Rotalgen neben dem universellen Chlorophyll a über das spezifische akzessorische Pigment Phycoerythrin. Dieses Pigment weist eine besonders hohe Absorption in genau dem blau-grünen Wellenlängenbereich auf, der in Tiefe noch als verfügbares Licht präsent ist. Die Absorption dieser spezifischen Lichtanteile durch Phycoerythrin stellt somit die notwendige energetische Voraussetzung für den Ablauf der Primärreaktionen der Fotosynthese dar. Ohne diese Pigmentausstattung könnten Rotalgen die Restlichtmenge in dieser Tiefe nicht für den Aufbau energiereicher organischer Verbindungen nutzen.

Analyse der Ursachen für das vermehrte Auftreten von Algenblüten

Das vermehrte Aufkommen von Algenblüten in heimischen und globalen Gewässern ist eine direkte Folge anthropogen beeinflusster Umweltveränderungen, wobei insbesondere die Eutrophierung und der Klimawandel synergistisch zusammenwirken. Ein zentraler Faktor ist der verstärkte Eintrag von Nitrat-Ionen (), die in aquatischen Ökosystemen häufig als limitierender Faktor wirken. Da Stickstoff ein essenzieller Baustein für die Synthese -haltiger Makromoleküle wie Proteine und Nukleinsäuren () ist, ermöglicht ein Überangebot dieses Nährstoffs eine drastisch gesteigerte Zellvermehrungsrate der Algen und Cyanobakterien.

Parallel dazu fungiert die globale Erwärmung als biologischer Katalysator für dieses Massenwachstum. Gemäß der RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel) führt eine Erhöhung der Wassertemperatur zu einer Beschleunigung der enzymatisch gesteuerten Stoffwechselprozesse innerhalb der Organismen. Die Kombination aus einer optimierten Nährstoffverfügbarkeit und einer gesteigerten Stoffwechselaktivität führt dazu, dass Algenblüten heute wesentlich häufiger und in größerer Intensität auftreten als in vergangenen Jahrzehnten.

Die toxische Wirkung von Schwefelwasserstoff auf den menschlichen Organismus

Die letale Wirkung von Schwefelwasserstoff (), welches bei der Verwesung massenhaft ans Land gespülter Algenteppiche entsteht, beruht auf einer massiven Störung des zellulären Energiestoffwechsels. Nach der Inhalation gelangt das Gas in die Blutbahn und bindet dort an das Sauerstofftransportmolekül Hämoglobin. Dies führt zu einer Inhibition des Sauerstofftransports durch das Blut zu den peripheren Geweben und lebenswichtigen Organen des Körpers.

Infolge der mangelnden Sauerstoffverfügbarkeit in den Zellen wird die Endoxidation innerhalb der Mitochondrien stark eingeschränkt. Da Sauerstoff als finaler Elektronenakzeptor in der Atmungskette fungiert, bricht bei seinem Fehlen der Aufbau des Protonengradienten zusammen, was eine deutlich verminderte Synthese von Adenosintriphosphat () zur Folge hat. Da nahezu alle vitalen Zellprozesse, wie beispielsweise aktive Transportmechanismen gegen Konzentrationsgefälle oder komplexe biochemische Syntheseleistungen, auf die ständige Verfügbarkeit von angewiesen sind, führt dieser energetische Engpass zu einem unmittelbaren systemischen Funktionsverlust. Ohne eine schnelle Unterbrechung dieser Giftwirkung resultiert aus dem Zusammenbruch der zellulären Energieversorgung letztlich der Tod des Organismus.

Vergleich der Stoffwechselwege A und B bei Chlamydomonas

Kriterium	Stoffwechselweg A (Fotosynthese)	Stoffwechselweg B (Wasserstoffproduktion)
Ausgangsstoffe	Wasser () und Kohlenstoffdioxid ()	Wasser ()
Reaktionsprodukte	Sauerstoff () und Glucose ()	Sauerstoff () und Wasserstoff ()
Bedeutung der -Ionen und Elektronen	Bildung eines Protonengradienten zur ATP-Synthese	Bildung eines Protonengradienten zur ATP-Synthese

Folgen der Wasserstoffproduktion für das Algenwachstum

Die Produktion von gasförmigem Wasserstoff hat tiefgreifende Konsequenzen für die energetische Bilanz und die Biosynthesekapazität der Algen. Da bei Stoffwechselweg B die Elektronen und Protonen zur Bildung von genutzt werden, steht kein Reduktionsmittel für die Fixierung von zur Verfügung. Infolgedessen kann der CALVIN-Zyklus nicht ablaufen, was unmittelbar dazu führt, dass keine Glucosebildung stattfindet.

Ohne die Synthese von Glucose fehlen der Zelle die notwendigen energiereichen organischen Stoffe, die als Grundbausteine für den Aufbau von Biomasse (z. B. Stärke, Zellulose oder Proteine) dienen. Da keine neue Substanz für Zellstrukturen oder Reservestoffe bereitgestellt werden kann, kommt es konsequent zu einer Einstellung des Wachstums bei Algen der Gattung Chlamydomonas.

Analyse der Fortpflanzungsbiologie von Chlamydomonas reinhardtii

Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii verfügt über ein flexibles Fortpflanzungssystem, das eine Anpassung an unterschiedliche ökologische Bedingungen ermöglicht. Die in der Abbildung dargestellte Fortpflanzungsform A entspricht der sexuellen Fortpflanzung. Dieser Prozess beinhaltet die Verschmelzung von Keimzellen () unterschiedlicher Paarungstypen ( und ) zu einer diploiden Zygote (). Der entscheidende Kernteilungsprozess ist hierbei die Meiose, durch welche die diploide Zygote wieder in haploide Zellen überführt wird. Im Gegensatz dazu stellt die Fortpflanzungsform B die vegetative (asexuelle) Fortpflanzung dar. Hierbei erfolgt die Vermehrung durch einfache Zellteilung, wobei der zugrunde liegende Kernteilungsprozess die Mitose ist, welche die genetische Identität der Tochterzellen sicherstellt.

Biologische Vorteile der Fortpflanzungsstrategien

Die Wahl der Fortpflanzungsform bietet der Art spezifische evolutionäre Vorteile in Abhängigkeit von der Stabilität ihres Lebensraumes:

Ein wesentlicher Vorteil der Fortpflanzungsform A zeigt sich insbesondere bei sich verändernden Umweltbedingungen. Durch die im Rahmen der Meiose ablaufende Rekombination entstehen genetisch unterschiedliche Tochterzellen. Diese hohe genetische Variabilität innerhalb der Population erhöht die Wahrscheinlichkeit signifikant, dass Individuen vorhanden sind, die bereits über vorteilhafte Anpassungen an neue Selektionsfaktoren verfügen und somit das Überleben der Art sichern.

Demgegenüber liegt der Vorteil der Fortpflanzungsform B in ihrer Effizienz bei gleichbleibenden, günstigen Umweltbedingungen. Da keine aufwendige Partnerfindung oder Zygotenbildung erforderlich ist, ermöglicht die vegetative Vermehrung ein exponentielles und damit äußerst schnelles Populationswachstum. Dies erlaubt es der Alge, vorhandene Ressourcen in stabilen Phasen optimal auszubeuten und den Lebensraum in kürzester Zeit zu besiedeln.

Auswertung der Transplantationsversuche an Schirmalgen

Die Ergebnisse der Versuche 1 und 2 belegen die zentrale Rolle des Zellkerns für die Morphogenese der Algen. Da Acetabularia-Zellen ein hohes Regenerationsvermögen besitzen, wächst nach der Entfernung des Schirms ein neues Exemplar nach. In den Experimenten zeigt sich, dass unabhängig von der Art des transplantierten Stiels ( oder ) stets das kernhaltige Rhizoid die Form des regenerierten Schirms vorgibt. Dies beweist, dass der Zellkern, welcher im Rhizoid lokalisiert ist, die gesamte Erbinformation für die spezifische Ausprägung des Schirms enthält.

Begründete Vermutung zum Phänotyp in Versuch 3

Für den dritten Versuchsaufbau, bei dem eine Zellfusion der Rhizoide beider Arten ( und ) durchgeführt wird, lässt sich die Vermutung aufstellen, dass der neu gebildete Schirm einen intermediären Phänotyp aufweisen wird. Da durch die Fusion die genetischen Informationen beider Arten simultan in einer Zelle vorliegen, werden auch die Instruktionen für beide Schirmformen parallel abgelesen und umgesetzt. Die daraus resultierende Überlagerung der artspezifischen Merkmale führt zu einer Mischform, die phänotypisch zwischen A. mediterranea und A. crenulata liegt.