Plankton und seine Merkmale
Wasserorganismen, die kleiner als etwa fünf Zentimeter sind, sowie Quallen werden als Plankton bezeichnet. Plankton bildet die Grundlage der Nahrungsketten im Meer und im Süßwasser und ist ein zentrales Element im globalen Kohlenstoffkreislauf. Das Verständnis des Verhaltens, der Dynamik und der ökologischen Funktionsweise von Plankton in Abhängigkeit von äußeren Faktoren und inneren Merkmalen (Traits) stellt eine faszinierende, aber auch entscheidende Frage in der Umweltforschung dar. Planktonmerkmale wie Körpergröße, Motilität oder Ernährungsstrategie sind besonders vielfältig und anpassungsfähig.

Auswirkungen des Weidens von mixotrophen Dinoflagellaten (MTD) auf das Größenspektrum des Phytoplanktons. (a) Veränderungen des Größenspektrums und des potenziellen Fraßdrucks durch MTD, wenn der Anteil der MTD an der Gesamtbiomasse 10 % übersteigt (Wert in der oberen linken Ecke). (b) Dieser Anteil von MTD in der Gemeinschaft (x) ist ein sehr guter linearer Prädiktor für den Fütterungsverlustindex (FLI, Überschneidung von Weidedruck und verlorener Biomasse).
Einige Planktonarten, wie z. B. Dinoflagellaten, gewinnen Energie und Nährstoffe sowohl durch Photosynthese als auch durch den Verzehr anderer Organismen. Diese doppelte Fähigkeit wird Mixotrophie genannt. Mixotrophe Organismen gedeihen in Küstengewässern, in denen Ressourcen wie Licht und Nährstoffe sehr variabel und oft begrenzt sind. Unsere Gruppe entwickelt eigenschaftsbasierte Modelle, um die Rolle der mixotrophen Organismen für die Ökosystemstruktur und den biogeochemischen Kreislauf zu entschlüsseln. Mithilfe eines größenbasierten Prädationsmodells in Verbindung mit Beobachtungs- und experimentellen Daten haben wir die ökologischen Funktionen von mixotrophen Organismen in der südlichen Nordsee untersucht. So haben wir beispielsweise die kritische Rolle von mixotrophen Dinoflagellaten als Hauptprädatoren im Spätsommer bis Winter aufgedeckt (García-Oliva et al., 2022).
Ein Schlüsselmerkmal von Dinoflagellaten
Viele Dinoflagellaten sind auf Beutetiere in einem begrenzten Größenbereich spezialisiert, z. B. auf kleineres Phytoplankton oder größere Kieselalgenketten, um ihr Wachstum und ihren Fortpflanzungserfolg zu steigern (García-Oliva und Wirtz, 2022). In einigen Fällen können Dinoflagellaten durch die Spezialisierung und Nutzung ihrer Beute so schnell wachsen, dass sie schädliche Algenblüten bilden, die sich nachteilig auf die Funktionen des Ökosystems auswirken, z. B. durch die Produktion von Toxinen und die Sauerstoffverarmung. Das Verständnis der Beutespezialisierung ist daher entscheidend für die Beurteilung der Gesundheit und Stabilität aquatischer Ökosysteme.
Ein gemeinsames Merkmal aller aquatischen Nahrungsnetze

Nur wenige öko-evolutionäre Regeln für den Aufbau von Nahrungsnetzen ergeben sich aus den universellen Merkmalen Spezialisierung der Ernährung und Körpergröße. Diese Regeln basieren auf wiederholten Mustern in der Beutewahl aquatischer Räuber über mehrere Größenordnungen der Körpergröße und unabhängig von Taxa.
Wir haben einige Regeln entdeckt, die den Aufbau aquatischer Nahrungsnetze bestimmen. Die Identifizierung dieser Prinzipien geht von der erstaunlichen Prävalenz spezialisierter Räuber in marinen und Süßwasser-Nahrungsnetzen aus (García-Oliva und Wirtz, 2025). Unser neuer Ansatz kann die Vereinfachung der trophischen Beziehungen in durchgängigen Nahrungsnetzmodellen ermöglichen und damit die Fähigkeit zur Vorhersage der Reaktion aquatischer Ökosysteme auf menschliche Einflüsse erheblich verbessern.
Auswirkungen des Verhaltens des Phytoplanktons auf den globalen Kohlenstoffkreislauf

Anstieg der globalen ozeanischen NPP um >2 Pg-C yr-1 von 1985 bis 2085 aufgrund von PVM (Wirtz et al Nature Climate Change 2022)
Die Bezeichnung Plankton kann irreführend sein, denn die meisten planktischen Organismen sind nicht nur stumme Drifter, sondern regulieren ihre vertikale Position in der Wassersäule und können so sehr unterschiedliche Lebensräume aufsuchen. Unsere Gruppe hat kürzlich durch Modellierung und Zusammenstellung indirekter Beweise herausgefunden, dass die Masse des Phytoplanktons in den Weltmeeren ein Wanderverhalten zeigt. In der Tiefe nehmen die Phytoplanktonzellen Nährstoffe auf, die in den oberen Wasserschichten knapp sind. Nach dem Aufstieg füllen diese mikroskopisch kleinen Pendler ihren Kohlenstoffspeicher durch Photosynthese auf und steigen dann wieder in tiefere Gewässer hinab. Dieses Wanderungsverhalten hat erhebliche Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf. Publikationen
Vertikale Prozesse

Links: Vertikale Migration des Phytoplanktons (PVM) als adaptives Verhalten zur Ressourcenbeschaffung im weit verbreiteten Fall einer Nährstoffverknappung an der Oberfläche. Durch den Abstieg in die Chemokline in größerer Tiefe akkumulieren autotrophe Zellen interne Nährstoffspeicher, während sie nach dem Aufstieg in den sonnenbeschienenen oberen Ozean Energie und Kohlenstoff gewinnen. Rechts: 1D-Lagrangsches Modell für die Entstehung des Chlorophyllmaximums (CHL) an der Oberfläche aufgrund von PVM.
Vertikale Migration des Phytoplanktons (PVM) als adaptives Verhalten zur Ressourcenbeschaffung in dem weit verbreiteten Fall, dass die Nährstoffe an der Oberfläche erschöpft sind. Durch den Abstieg in die Chemokline in größerer Tiefe akkumulieren autotrophe Zellen interne Nährstoffspeicher, während sie nach dem Aufstieg in das Sonnenlicht des oberen Ozeans Energie und Kohlenstoff gewinnen. Publikationen

Aufbau des Modells für adaptive Ökosysteme in Küstenmeeren (MAECS), das ökophysiologische Merkmale des Planktons, biogeochemische Kreisläufe, auch in den Sedimenten, und die Dynamik von Krankheitserregern auflöst (Wirtz 2019)
Unsere Gruppe entwickelt innovative mechanistische, eigenschaftsbasierte Modelle zur Beschreibung der Reaktion von Plankton und anderen Ökosystemabteilungen auf verschiedene externe Faktoren, einschließlich des Klimawandels. Darüber hinaus treiben wir die modulare Kopplung von eigenschaftsbasierten Ökosystemmodellen mit physikalischen Modellen MOSSCO voran, um die Interaktion zwischen der Physik des Ozeans und biologischen Prozessen möglichst effizient zu beschreiben. In vielen unserer Studien und Projekte (MuSSeL, ) untersuchen wir die langfristige Ökosystemdynamik, um die wichtigsten Triebkräfte zu ermitteln, aber auch um Strategien zur Eindämmung des Klimawandels zu bewerten.
Mithilfe des ersten gekoppelten, auf adaptiven Merkmalen basierenden Ökosystemmodells, dem Model for Adaptive Ecosystems in Coastal Seas (MAECS), konnten wir langfristige Veränderungen der Ökosystemfunktionen, aber auch der Plankton-Ökophysiologie in der südlichen Nordsee rekonstruieren (Wirtz 2019, Datensatz, Xu et al). So konnten wir beispielsweise die entscheidende Bedeutung der Virendynamik für den Zusammenbruch der Phytoplankton-Frühjahrsblüte (Wirtz 2019, Krishna et al. 2023) oder die Bedeutung der Lichtverhältnisse für eine starke Top-Down-Regulierung von Küstenökosystemen aufzeigen.
Unsere numerischen Experimente stützen sich stets auf eine umfassende Datenintegration und -analyse und entschlüsseln, wie Bottom-up- und Top-down-Kontrollen durch adaptive Prozesse (Merkmalsvariationen) und Systemrückkopplungen vermittelt werden.
Publikationen