Alge

Die Bezeichnung Alge wird in der Algenkunde (Phykologie oder Algologie) unterschiedlich verwendet und verschiedenen Begriffen zugeordnet.

  1. Im weiteren Sinn bezeichnen sie im Wasser lebende, eukaryotische, pflanzenartige Lebewesen, die Photosynthese betreiben, jedoch nicht zu den eigentlichen Pflanzen gehören.
  2. Als Algen im engeren Sinne werden zahlreiche Protistengruppen bezeichnet. Hierzu gehören sowohl einzellige als auch mehrzellige Lebewesen.
  3. Cyanobakterien werden auch Blaualgen genannt. Diese Bakterien zählen jedoch zu den Prokaryoten und sind deshalb keine Pflanzen bzw. Algen. Sie sind Gegenstand der Bakteriologie, werden aber als historisches Relikt auch noch von der Botanik behandelt.
  4. Es gibt auch Algen, die zu den Pflanzen bzw. zu den Chloroplastida zählen, z. B. Grünalgen.

Algen stellen keine echte Verwandtschaftsgruppe im Sinne der Phylogenie und Systematik dar, sondern sind eine polyphyletische und paraphyletische Gruppe. Gleichwohl wird der Begriff auch in der Biologie häufig als Sammelbegriff verwendet.

Vorkommen und Lebensweise

Batrachospermum moniliforme: Eine im Süßwasser lebende Alge
Trentepohlia aurea: Eine weitverbreitete Luftalge

Man findet Algen insbesondere im Meer und im Süßwasser. Zu den Luftalgen (Aerophyten) werden Arten gerechnet die an der Luft zum Beispiel an Baumstämmen oder auf Felsen leben. Man findet diese hauptsächlich in den Tropen und Subtropen auf feuchten Blättern. Arten der weit verbreiteten Gattung Trentepohlia wachsen auf Schattenseiten von Felsen und Baumstämmen. Des Weiteren gibt es Bodenalgen (terrestrische Algen) die meist auf Waldböden vorkommen. Die Grünalge Fritschiella ist ein bekanntes Beispiel. Die Art Chlamydomonas nivalis kommt im Schnee von Gebirgen und Antarktis vor und bildet durch rotgefärbte Carotinoide, unter anderem durch das Astaxanthin (auch unter dem veralteten Namen Haematochrom bekannt) den Blutschnee. Im Wasser bilden Algen das Phytoplankton, den photoautotrophen Teil des Planktons. Auch das Phytobenthos, die „Pflanzen“ der Gewässerböden, wird hauptsächlich durch Algen gebildet. Besonders groß sind die Laminarien (Tang bzw. marine Braunalgen), die ausgedehnte Tangwälder in den Küstenbereichen der Meere bilden.

Die Mikroalgen des Meeres sind mixotroph. Sie betreiben zwar Photosynthese, beziehen jedoch ein Viertel ihrer Biomasse aus dem Verzehr von Bakterioplankton[1].

Insbesondere einzellige Algen gehen auch Symbiosen ein, zum Beispiel als Zooxanthellen in manchen Meerestieren, die dadurch unabhängig von äußerer Nahrungszufuhr werden oder einfach Tarnung erhalten. Am intensivsten gediehen ist die Symbiose zwischen Algen und Pilzen in den Flechten. Diese stellen echte Doppelwesen dar, die sogar gemeinsame Vermehrungsorgane ausbilden.

Einige wenige einzellige Algen aus den Gattungen Prototheca und Helicosporidium können Infektionskrankheiten bei Säugetieren (inklusive Menschen) verursachen, siehe dazu Protothekose.

Morphologische Organisationsstufen

Kapsal (Pediastrum, lichtmikroskopische Aufnahme)
Kokkale Kieselalgen, lichtmikroskopische Aufnahme, Dunkelfeld
Kokkale Grünalgen und Stäbchenbakterien.
Sekundärelektronenmikroskopische Aufnahme
Thallös, Oben: Phylloid, Mitte: Cauloid, Unten: Rhizoid (Riesentang)

Unter Organisationsstufen versteht man die unterschiedlichen Strukturen des Aufbaus der Algen. Die Organisationsstufen werden in der klassischen Systematik der Algen zur Unterteilung der verschiedenen Klassen in Ordnungen genutzt.

Man unterscheidet zwischen folgenden Stufen (Auswahl):

  • Monadoide oder monadale Stufe: Algen, die hierzu gezählt werden, sind begeißelte Einzeller. Die monodale Stufe ist also den Flagellaten gleichzusetzen. Sie ist bei fast allen Gruppen der Algen vorhanden, sie fehlt nur bei den Rotalgen, Schmuckalgen (Ordnung der Grünalgen) und den Pennales (eine Gruppe der Kieselalgen).
  • Rhizopodial oder amöboid: Es handelt sich um unbegeißelte, amöboide Einzeller, die keine Zellwand besitzen. Die Fortbewegung erfolgt kriechend durch Pseudopodien, also durch Ausstülpungen des Zellplasmas. Einige Gattungen der Goldalgen sind als Beispiel anzuführen.
  • Monadoide, koloniebildende Stufe: Es handelt sich um begeißelte Einzeller, die in einer Gallerte zusammengehalten werden und eine Zellkolonie bilden. Es besteht bereits eine Tendenz zur Zelldifferenzierung. Während Gonium sacculiferum noch aus vier gleichen „Chlaymodmonas-ähnlichen“ Einzelzellen besteht, findet man bei Kolonien aus mehreren tausenden Zellen der Gattung Volvox bereits vegetative und Geschlechtszellen.
  • Capsal (kapsal, tetrasporal oder palmelloid): Unbegeißelte Einzelzeller, die nach der Teilung von einer Gallerthülle zusammengehalten werden. Es entstehen Coenobien, Verbände aus eigenständigen Einzelzellen. Ein Beispiel ist Tetraspora.
  • Kokkal (coccal): Unbewegliche Einzeller (ohne Geißeln), die eine verdickte Zellwand besitzen. Die Algen der Gattung Chlorococcum (Grünalgen) besitzen im vegetativen Zustand keine Geißeln, die Organisationsstufe ist kokkal. Nur bei der Vermehrung werden begeißelte Einzeller, die Zoosporen, gebildet. Auch fast alle Kieselalgen, bei denen die Zellwand aus Siliziumdioxid („Kieselsäure“) besteht, zählen zu dieser Organisationsstufe.
  • Trichal: Algen dieser Stufe bilden mehrzellige, fadenförmige Vegetationskörper. Die einzelnen Zellen sind durch Zellwände voneinander getrennt. Die Zellfäden entstehen durch Zellteilungen in nur einer Ebene (also sozusagen eindimensional). Es können auch Verzweigungen gebildet werden. Die Schraubenalge sei als Beispiel genannt.
  • Siphonal: Der Körper besteht aus einer einzigen, vielkernigen Zelle. Die Bildung erfolgt durch Kernteilungen in mehreren Raumebenen ohne Bildung von trennenden Zellmembranen und Zellwänden. Der Coenoblast kann einen mehrkernigen schlauch- oder blasenförmigen Thallus bilden. Ein Beispiel ist die Schirmalge. In der Systematik werden Arten dieser Stufe manchmal als die Gruppe Siphonales zusammengefasst.
  • Thallös: Es wird durch Zellteilungen in verschiedenen Raumrichtungen (dreidimensional) ein Thallus gebildet. Dieser kann scheinbar in Gewebe unterteilt sein. Der Thallus vieler Braunalgen ist in Rhizoid (analog zu den Wurzelgewebe), Cauloid (entspricht der Sprossachse) und Phylloid (blattähnlich) gegliedert. Thallöse Algen können große Vegetationskörper bilden. So hat der Riesentang eine Länge von bis zu 60 Meter.

Algen in den Weltmeeren

In den Weltmeeren bildet sich Phytoplankton sehr gehäuft in der Arktis und im Küstenbereich, sehr wenig Phytoplankton gibt es im subtropischen Bereich. Der Anteil an Plankton lässt sich durch Satellitenaufnahmen mit Spezialkameras aus dem Weltraum abschätzen. Es gibt etwa 10.000 verschiedene Algenarten, etwa 500 Arten sind besonders wichtig. Das Phytoplankton ist zwischen einem tausendstel Millimeter und einem halben Millimeter groß. Winzige Tierchen, das Plankton (Zooplankton), können in den Weltmeeren die Algen fressen. Andere Algen sterben ab und sinken auf den Meeresgrund. Algen wirken vermutlich als Kohlendioxidpumpe von Luft und Regenwasser, die Kohlendioxid enthalten. Sie haben vermutlich einen sehr wichtigen Einfluss für die Bindung des Kohlendioxids aus der Atmosphäre.[2] Es wird geschätzt, dass sich jährlich 45 bis 50 Milliarden Tonnen Kohlenstoff des Kohlendioxids in Phytoplankton umwandeln. Nach dem Absterben soll dieses Phytoplankton in die Tiefe des Meeres sinken, wobei auch möglicherweise entstehendes Kohlendioxid gefangen bliebe. Etwa 15% oder 8 Mrd. Tonnen des assimilierten Kohlenstoffes des entstehenden Phytoplanktons sinkt in die Tiefe. Ohne das Phytoplankton der Meere läge die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre vermutlich statt bei 365 ppm bei 565 ppm.[3] Das Phytoplankton dient als Kohlenstoffpumpe, es verfrachtet Kohlendioxid aus der Luft oder gebunden als Regen in die Tiefsee. Aus dem Phytoplankton, das in der Tiefsee unter hohem Druck steht, entsteht nach vielen Jahrtausenden schließlich Erdöl oder Erdgas.

Einige Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Algenproduktion im Meerwasser durch Zugabe von Eisenionen erheblich zunimmt. Eine derartige Düngung könnte zu einer verstärkten Einlagerung von Kohlendioxid in der Tiefsee führen.

Erzeugung und Nutzung von Algen

Getrocknete Nori-Algen

Algen können für vielfältige Zwecke verwendet werden. Teilweise erfolgt die Gewinnung direkt aus dem Meer. Die Kultivierung im Meer, in Aquakulturen oder in Algenreaktoren gewinnt an Bedeutung.

Algen als Nahrungsmittel

(Hauptartikel siehe Algen (Lebensmittel))
  • Von den weltweit bekannten 80.000 (geschätzte 400.000) Algenarten werden nur ca. 160 industriell (unter anderem als Nahrungsmittel) genutzt.
  • Verschiedene große Algenarten (Makroalgen) werden roh als Salat oder gedünstet als Gemüse verzehrt. Der Schwerpunkt der Nutzung liegt in Südostasien, wo jährlich ca. 9 Millionen Tonnen verzehrt werden.
  • Algen besitzen einen sehr hohen Anteil an Mineralstoffen und Spurenelementen. Ein hoher Anteil an Kohlenhydraten, ungesättigten Fettsäuren oder Beta-Carotinen sind Argumente für die Verwendung weiterer Algensorten als Nahrungsmittel.
  • In Ländern wie Japan ist der Anbau von Rotalgenarten (z. B. für Sushi) ein bedeutender Wirtschaftszweig.

Energetische Nutzung von Algen

(siehe auch Artikel Algenkraftstoff)
Herstellung von Biowasserstoff mittels Algen im Labormaßstab

Verschiedene Möglichkeiten zur energetischen Nutzung von Algen, z. B. als Algenkraftstoff (Biokraftstoff), werden untersucht. Z. T. wird dies mit umwelttechnischen Anwendungen verknüpft:

  • Hans Gaffron hat bereits 1939 ein Verfahren entwickelt, um mit Hilfe von Grünalgen der Gattung Chlamydomonas reinhardtii Wasserstoff (Biowasserstoff) zu produzieren. Dazu kann ein Algenreaktor oder Photobioreaktor verwendet werden.
  • Aus bestimmten Algen lässt sich Biodiesel herstellen. Die Algen-Biomasse könnte zu Biogas vergoren oder in geeigneten Anlagen thermisch genutzt werden. Das bei der Kultivierung der Algen notwendige CO2 kann beispielsweise mit den Abgasen von Kraftwerken bereitgestellt werden.

Weitere Anwendungen

Bei weiteren, teilweise sehr speziellen Anwendungen werden Produkte der Algen, ihre Inhaltsstoffe, ihre Abbaufähigkeiten oder ihre Abbauprodukte verwendet:

  • Kieselalgen sind beispielsweise reich an Kohlenhydraten, Fettsäuren, Steroiden und Vitaminen. Diese werden auf vielfältigste Weise, z. B. als Nahrungsergänzungen („Spiruletten“), Verdickungsmittel (Agar) in Kosmetikprodukten oder in der Industrie verwendet.
  • Die Pigmente in den Algen können künftig eine umweltfreundlichere Alternative für Tinte sein, da sie biologisch besser abbaubar sind.
  • Im Abwassersektor können Algen zum Binden von ausgeschwemmten Düngemitteln eingesetzt und selbst wieder als Algendünger verwendet werden. Wie durch andere Pflanzen auch, kann mit ihrer Hilfe Kohlenstoffdioxid (CO2) gebunden werden. Zudem werden Pathogene inkorporiert oder sie sterben in dem Milieu ab, das die Algen während ihres Wachstums produzieren, so dass es zur Trinkwasserdesinfektion im ländlichen Sektor geeignet ist.[4]
  • Zudem wurden aus Ablagerungen abgestorbener Algen weite Teile der heute verwendeten fossilen Rohstoffe (Erdöl, Erdgas) gebildet.
  • Aus Braunalgen lässt sich Alginsäure gewinnen, deren Salze (Alginate) als Verdickungs- und Geliermittel zum Einsatz kommen. Alginat kann auch im Bereich der Biomedizintechnik, zum Beispiel zur Wundabdeckung, verwendet werden[5].
  • Auch lässt sich aus Algen eine hochkristalline Form der Cellulose gewinnen, die zum Beispiel bei der Herstellung von Tabletten eingesetzt werden kann.[6] oder als Verstärkungsmaterial für Naturfaserverbundwerkstoffe[7]

Anbau in Deutschland

In List auf der Insel Sylt gibt es einen von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanzierten, unter der Leitung von Prof. Klaus Lüning vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung durchgeführten Versuchsanbau von Rot- und Braunalgen, nämlich Palmaria und Laminaria.

Seit dem Jahr 1999 existiert in Deutschland eine weltweit einzigartige Produktionsanlage für Mikroalgen in Klötze. In dieser wird, unter Leitung von Prof. Dr. Steinberg, die Grünalge Chlorella vulgaris in einem 500 km langen patentierten Glasröhrensystem kultiviert.

Forschung

Die Algen umfassen eine riesige Artenvielfalt, von der bislang verhältnismäßig wenig bekannt ist. Umso interessanter ist die Suche nach unbekannten Arten und deren Nutzung für verschiedenste Industriezweige.

Die Georg-August-Universität Göttingen besitzt eine der weltweit umfassendsten Algensammlungen mit gegenwärtig rund 2200 Stämmen.

Die Gruppen der Algen

Gruppen die den Algen zugeordnet werden (Auswahl):

  • Glaucophyta: nur einzellige Flagellaten (Glaucocystaceae) im Süßwasser
  • Haptophyta: leben vor allem marin
  • Schlundgeißler (Cryptista): meist einzellig, Meer- und Süßwasserbewohner
  • Euglenozoa
  • Dinozoa (s. Dinoflagellaten), ca 1100 Arten: Braune (das grüne Chlorophyll wird durch rote Fucoxanthine überdeckt), einzellige, begeißelte Zellen mit einer seitlichen und einer basalen (am hintere Pol) Geißel. Sie besitzen innerhalb der Zellmembran einen festen Zellulosepanzer. Sie leben marin oder limnisch. Viele haben spezielle Schwebeeinrichtungen.
  • Raphidophyceae (Chloromonadophyceae): meist im Süßwasser vorkommend
  • Chlorarachniophyta: marin, es gibt 6 bekannte Gattungen
  • Gelbgrüne Algen (Xanthophyceae): leben nur im Süßwasser
  • Goldalgen (Chrysophyta): selten marin, meist im Süßwasser vorkommend mit einer oder zwei apikalen (= an der Spitze sitzenden) Geißeln. Viele von ihnen bilden Kolonien.
  • Kieselalgen (Bacillariophyta, auch Diatomeen genannt): vorwiegend im Meer lebend
  • Braunalgen (Phaeophyta)(ca. 1500 Arten): fast ausschließlich marin, kleine, zart gebaute, fädige, bis sehr große, außerordentlich widerstandsfähige, derbe Organismen.
  • Rotalgen (Rhodophyta): vorwiegend in der Litoralzone des Meeres
  • Grünalgen (Chlorophyta)(ca. 7000 Arten): Meer (2/5 aller Arten), Süßwasser (3/5 aller Arten) und auch landlebende Algen
  • Picobiliphyta: im Jahr 2007 publizierte, neue Klasse im Pikoplankton von nährstoffarmen Meereswasser.

In der klassischen Einteilung der Algen werden die Chloromonadophyta, Gelbgrünen Algen, Goldalgen, Kieselalgen und die Braunalgen als Klassen zu der Gruppe Heterokontophyta gestellt.

Taxa der phylogenetischen Systematik, zu denen Algengruppen gestellt werden:

  • Excavata: Hier werden die Euglenozoa hinzugestellt.
  • Stramenopile (auch als Chromista bezeichnet): In dieser Gruppe werden die Haptophyta, Cryptophyta, Chlorarachniophyta und Heterokontophyta eingeordnet.
  • Alveolata: Zu den Alveolata werden die Dinoflagellata gestellt.
  • Pflanzen: Die Grünalgen und die Rotalgen bzw. Biliphyta (s. u.) bilden zusammen mit den Landpflanzen das Reich der Pflanzen.
  • Biliphyta: Die Glaucophyta und die Rotalgen werden zu den Biliphyta zusammengefasst.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Zubkov MV, Tarran GA: High bacterivory by the smallest phytoplankton in the North Atlantic Ocean. In: Nature 455 (2008): 224 – 226
  2. Victor Smetacek: Die Primärproduktion der marinen Plankton-Algen, Spektrum der Wissenschaften, Heft 12/1991, S. 52
  3. Paul G. Falkowski: Der unsichtbare Wald im Meer, Spektrum der Wissenschaften, Heft 6/2003, S. 56 ff.
  4. Naturnahe Abwasserdesinfektion durch nachgeschaltete Algenteiche, Patent DE102006020917.
  5. Willi Paul and Chandra P. Sharma: „Chitosan and Alginate Wound Dressings: A Short Review“, Trends Biomater. Artif. Organs, 2004, Ausgabe 18, S. 18–23
  6. Maria Strømme, Albert Mihranyan, Ragnar Ek: „What to do with all these algae?“, Materials Letters, 2002, Ausgabe 57, S. 569–572
  7. Min Woo Lee, Seong Ok Han, Yung Bum Seo: „Red algae fibre/poly(butylene succinate) biocomposites: The effect of fibre content on their mechanical and thermal properties“, Composites Science and Technology, 2008, Ausgabe 68, S. 1266–1272

Literatur

  • Karl-Heinz Linne von Berg, Kerstin Hoef-Emden, Michael Melkonian: Der Kosmos-Algenführer. Die wichtigsten Süsswasseralgen im Mikroskop. Kosmos, Stuttgart 2004, ISBN 3-440-09719-6.
  • Eduard Strasburger (Begr.), Peter Sitte, Elmar Weiler, Joachim W. Kadereit, Andreas Bresinsky, Christian Körner: Lehrbuch der Botanik für Hochschulen. 35. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-8274-1010-X.
  • Christiaan van den Hoek, Hans Martin Jahns, David G. Mann: Algen. 3. Auflage. Thieme, Stuttgart 1993, ISBN 3-13-551103-0.
  • Günter Throm: Biologie der Kryptogamen. 2. Algen – Moose. Haag und Herchen Verlag, Frankfurt am Main 1997, ISBN 3-86137-581-8.

Film

  • Wald der Meere. Algen in der Bretagne. Dokumentarfilm, 2006, 45 Min., ein Film von Rüdiger Mörsdorf, Produktion: Rüdiger Mörsdorf-Produktion, Saarländischer Rundfunk, Inhaltsangabe von arte

Weblinks

Commons: Alge – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Alge – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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Feste Zellwand bereitete Landgang vor
Wie Pflanzen das Land eroberten, zeigt sich in ihren Genen: Die Erbanlagen von Armleuchteralgen enthalten zahlreiche evolutionäre Neuerungen, die es ihren Vorläufern ermöglichten, sich auf dem Trockenen breit zu machen.
12.06.2018
Ökologie | Biochemie
SOLUTIONS – für eine bessere Wasserqualität europäischer Flüsse
Viele europäische Flüsse enthalten Chemikalien-Cocktails, die Algen und Wassertieren nicht gut bekommen.
17.05.2018
Mikrobiologie | Meeresbiologie
Algenfahrstuhl in die Tiefsee
AWI-Forscher entdecken neues Phänomen unter dem arktischen Meereis.
09.05.2018
Mikrobiologie | Zytologie
Energiespeicherung von Kieselalgen entschlüsselt
Algen speichern Energie „auf Umwegen“
Konstanzer Biologen entschlüsseln Energiespeicherung von Kieselalgen.
30.04.2018
Mikrobiologie | Ökologie
Arktische Anpassungskünstler
Mikroalgen-Gemeinschaften in Küstengewässern bleiben unter variablen Umweltbedingungen produktiv.
19.04.2018
Botanik | Mikrobiologie | Evolution
Grünalgen bereiteten Landgang der Pflanzen vor
Der Landgang der Pflanzen vor rund 510 Millionen Jahren stellte eine große Herausforderung für das Leben dar.
02.03.2016
Mikrobiologie | Zytologie | Evolution
Invasion von Zellen durch pathogene Bakterien: Schlüssel zum Verständnis zur Herkunft der Eukaryote
Die Entstehung komplexer Zellen - sogenannter Eukaryoten - vor 2 Milliarden Jahren markierte einen entscheidenden Wendepunkt in der Geschichte der Lebewesen auf der Erde. Diese komplexen Zellen besaßen erstmals einen Zellkern, ein aufwändiges Membransystem und Energie-produzierende Organellen, sogenannte Mitochondrien, durch die die erfolgreiche Verbreitung der Algen, Pilze und schlussendlich auch des Menschen erst ermöglicht wurde. Wie aber kam es zu diesem Quantensprung in der Komplexität von Zellen?

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