🤝 Symbiosen: Korallen und Zooxanthellen

Fast jedes Korallenriff der Erde existiert dank einer Partnerschaft, die so eng ist, dass keiner der beiden Partner ohne den anderen Riffe bauen kann. Auf der einen Seite stehen Korallenpolypen, winzige Tiere, die mit Quallen verwandt sind. Auf der anderen stehen einzellige Algen, die Zooxanthellen, die im Gewebe der Koralle selbst leben und Sonnenlicht in Nahrung für ihren Wirt umwandeln. Das ist die wichtigste Symbiose im Meer – der biologische Motor, der dafür sorgt, dass 1 % des Meeresbodens 25 % der marinen Artenvielfalt beherbergt. Dieser Beitrag erklärt, was Zooxanthellen eigentlich sind, wie die Partnerschaft funktioniert, was passiert, wenn sie zerbricht (die Biologie hinter der Korallenbleiche), ob Korallen ihre Partner wechseln können und welche weiteren Symbiosen auf der Partnerschaft von Koralle und Alge aufbauen und so ein funktionierendes Riff ausmachen.

Was Zooxanthellen eigentlich sind

Laut dem National Ocean Service der NOAA sind Zooxanthellen einzellige, photosynthetisch aktive Organismen, genauer gesagt Dinoflagellaten: eine Algengruppe mit zwei Geißeln (peitschenartigen Fortsätzen), mit denen sie in ihrer frei lebenden Form schwimmen. Die meisten Zooxanthellen gehören zur Familie Symbiodiniaceae, die mehrere Gattungen umfasst (Symbiodinium, Cladocopium, Durusdinium und andere), deren Systematik in den letzten Jahrzehnten mithilfe genetischer Analysen stark verfeinert wurde. Der Name „Zooxanthellen“ bedeutet ungefähr „gelbbraune Tierzellen“ und bezieht sich auf die goldbraune Farbe, die sie dem Gewebe ihrer Wirtstiere verleihen.

Zooxanthellen sind mikroskopisch klein, meist 8 bis 15 Mikrometer groß, sodass man für einzelne Zellen ein Lichtmikroskop bräuchte. Ihre Dichte ist jedoch enorm. Ein einzelner Korallenpolyp kann 1 bis 5 Millionen Zooxanthellen pro Quadratzentimeter Gewebe enthalten. Eine große Korallenkolonie beherbergt insgesamt Billionen von Algenzellen. Erst diese Populationsdichte in Verbindung mit dem verlässlichen tropischen Sonnenlicht ermöglicht es der Partnerschaft, genug Energie zu erzeugen, um Riffstrukturen in nennenswertem Tempo aufzubauen. Korallen sind nicht die einzigen Wirtsorganismen: Zooxanthellen leben auch in Seeanemonen, Riesenmuscheln, manchen Quallen und einigen Meeresnacktschnecken, jeweils in leicht unterschiedlicher Form des Zusammenlebens.

Wo sie in der Koralle leben

Zooxanthellen leben in den Zellen der inneren Gewebeschicht der Koralle, der Gastrodermis (der Schicht, die den Verdauungsraum der Koralle auskleidet). Jede Algenzelle sitzt in einer kleinen Vakuole innerhalb einer Korallenzelle und ist praktisch von der Membran der Koralle umhüllt. Das ist intrazelluläre Symbiose in ihrer extremsten Form: Die Algen sind nicht nur in der Koralle, sondern in einzelnen Korallenzellen, wo sie als Dauergäste innerhalb der zellulären Maschinerie ihres Wirts arbeiten. Eine solche Anordnung nennt man Endosymbiose, und es ist im Grunde derselbe Prozess, der in weit früheren Phasen der Evolution zur Entstehung von Chloroplasten und Mitochondrien geführt hat.

Die Zooxanthellen richten sich im Korallengewebe so aus, dass sie möglichst viel Sonnenlicht abbekommen. Da das Korallengewebe durchscheinend ist und sich die Zooxanthellen nahe den oberen Schichten konzentrieren, trifft das in die Koralle eindringende Licht die Algen sehr effizient. Schneidet man eine Koralle im Querschnitt auf, sieht man, dass die goldbraune Färbung direkt unter der Polypenoberfläche am stärksten ist. Dort konzentrieren sich die Algen, um das Licht optimal einzufangen.

Der Energieaustausch

Zooxanthellen betreiben tagsüber Photosynthese und wandeln Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht in Zucker, Sauerstoff und andere organische Verbindungen um, genau wie Pflanzen. Zwischen 80 % und 95 % des erzeugten Zuckers geben sie direkt an die Zellen ihres Korallenwirts weiter, zusammen mit Aminosäuren und anderen kleinen Molekülen, die die Koralle braucht. Diese übertragene Energie deckt bis zu 90 % des gesamten Stoffwechselbedarfs der Koralle. Die restlichen rund 10 % stammen aus dem Zooplankton, das die Koralle nachts mit ihren Tentakeln jagt.

Im Gegenzug liefert die Koralle den Zooxanthellen drei entscheidende Dinge. Erstens Schutz vor Fressfeinden: Frei im Wasser würden die Algen schnell gefressen, in der Koralle sind sie sicher. Zweitens eine verlässliche Versorgung mit den Nährstoffen, die sie für die Photosynthese brauchen: Kohlendioxid (aus der Atmung und den Stoffwechselprodukten der Koralle), Stickstoffverbindungen wie Ammonium (aus verdauter Beute) und Phosphate. Drittens eine stabile, gut beleuchtete Umgebung nahe der Wasseroberfläche, in der Photosynthese ergiebig ist. Ein klassischer Mutualismus: Beide Partner haben echte Vorteile, die keiner allein erreichen könnte.

Die Energie, die die Zooxanthellen beisteuern, treibt den Riffbau an. Die Ablagerung eines Kalkskeletts ist energieaufwendig: Es braucht ATP, die Energiewährung der Zelle, um Calcium- und Carbonat-Ionen durch Zellmembranen zu transportieren und als Aragonitkristalle auszufällen. Ohne die ATP-Energie der Algen könnten riffbildende Korallen schlicht nicht schnell genug verkalken, um Riffstrukturen zu errichten. Es gibt zwar Tiefseekorallen ohne Algenpartner, doch ihr Wachstum wird in Millimetern pro Jahr gemessen, und sie bauen keine Riffökosysteme in der Größenordnung flacher tropischer Riffe.

Die Farbe der Korallen stammt von den Algen

Eine der überraschendsten Tatsachen der Korallenbiologie (die wir auch in unserem Beitrag darüber anreißen, was Korallen sind) ist, dass das Korallengewebe selbst weitgehend durchsichtig oder weißlich ist. Die goldenen, braunen, grünlichen und rötlichen Farben, die Riffe so spektakulär aussehen lassen, stammen nicht vom Korallentier, sondern von den Zooxanthellen in seinem Inneren. Verschiedene Gattungen und Arten der Symbiodiniaceae enthalten unterschiedliche Pigmentmischungen (Chlorophyll a und c sowie verschiedene Carotinoide) und erzeugen so unterschiedliche Farbtöne bei ihren Korallenwirten. Manche Korallen besitzen zusätzlich eigene fluoreszierende Proteine, die Rosa-, Lila- oder Blautöne über das natürliche Braungold der Algen legen, doch die Grundfarbe stammt immer von den Algen.

Das hat eine dramatische Folge: Wenn eine Koralle ihre Zooxanthellen verliert, verliert sie auch ihre Farbe. Durch das durchscheinende Gewebe sieht man dann das leuchtend weiße Kalkskelett darunter. Eine gebleichte Koralle ist nicht deshalb knochenweiß, weil sie sofort stirbt, sondern weil die Algen, die ihr Farbe (und 90 % ihrer Nahrung) geliefert haben, ausgestoßen wurden. Deshalb ist die Korallenbleiche so auffällig und sofort erkennbar: Der Farbverlust tritt ein, sobald die Symbiose zusammenbricht.

Wenn die Partnerschaft zerbricht: Korallenbleiche

Die Partnerschaft von Koralle und Alge ist äußerst fein auf bestimmte Bereiche von Wassertemperatur und Wasserchemie abgestimmt. Laut der NOAA stoßen Korallen ihre Zooxanthellen aus, wenn sie unter Stress geraten – meist durch Wassertemperaturen, die 1–2 °C über ihrem normalen Höchstwert liegen, aber auch durch Verschmutzung, Verdünnung durch Süßwasser oder intensives Licht. Man nimmt an, dass das Ausstoßen ein Schutzmechanismus ist: Unter Hitzestress wird die Photosynthese der Algen schädlich (es entstehen reaktive Sauerstoffspezies, die die Korallenzellen schädigen), und die Algen vorübergehend loszuwerden, richtet weniger Schaden an, als sie zu behalten.

Die unmittelbare sichtbare Folge ist die Bleiche: Die Koralle wird weiß, wenn die Algen sie verlassen. Die biologische Folge aber ist Hunger. Ohne die Zooxanthellen, die 90 % ihres Energiebedarfs decken, muss die Koralle mit den restlichen 10 % (allein aus der Zooplanktonjagd) auskommen, was über längere Zeit bei Weitem nicht reicht. Normalisieren sich die Wasserbedingungen innerhalb weniger Wochen, können gebleichte Korallen wieder Zooxanthellen aus dem umgebenden Wasser aufnehmen und sich erholen; das kommt nach kurzen Hitzeperioden recht häufig vor. Hält der Stress monatelang an oder findet die Koralle nicht genug Algen, um sie wieder aufzunehmen, verhungert sie und stirbt. Die marine Hitzewelle von 2023 war weltweit eine der schwersten seit Beginn der Aufzeichnungen und verursachte in der gesamten Karibik großflächige Bleiche und Sterblichkeit, darunter schwere Verluste bei Flachwasserarten.

Können Korallen ihre Symbionten wechseln?

Ja, und das ist derzeit ein wichtiges Forschungsfeld der Korallenbiologie. Verschiedene Gattungen und Arten der Symbiodiniaceae vertragen Hitze unterschiedlich gut. Die Gattung Durusdinium etwa ist meist hitzetoleranter als die häufigeren Cladocopium-Arten. Studien zeigen, dass manche Korallen ihre Symbiontenpopulation nach einer Bleiche verschieben können und danach einen höheren Anteil hitzetoleranter Algentypen besitzen als zuvor. Man spricht von „adaptiver Bleiche“ oder „Symbiont Shuffling“, und es ist eines der kleinen Hoffnungszeichen für die Widerstandsfähigkeit der Riffe in einem sich erwärmenden Ozean.

Der Haken: Hitzetolerante Symbionten liefern der Koralle oft weniger Energie als die empfindlicheren, aber produktiveren Typen. Eine Koralle, die zu einer von Durusdinium dominierten Partnerschaft wechselt, übersteht künftige Hitzewellen vielleicht besser, wächst unter normalen Bedingungen aber langsamer und vermehrt sich weniger erfolgreich. Ob sich dieser Kompromiss langfristig unterm Strich lohnt, hängt stark davon ab, wie häufig Hitzewellen auftreten, und das wiederum hängt vom weiteren Verlauf des Klimawandels ab.

Wie Korallen überhaupt zu ihren Zooxanthellen kommen

Korallenarten nutzen zwei verschiedene Strategien, um die Algenpartnerschaft aufzubauen. Arten mit „vertikaler Übertragung“ geben ihre Zooxanthellen direkt an den Nachwuchs weiter: Die beim Massenlaichen freigesetzten Gametenbündel enthalten bereits Algenzellen, die von der Mutterkolonie stammen. Diese Strategie nutzen rund 25 % der Korallenarten. Arten mit „horizontaler Übertragung“ produzieren Keimzellen ohne Algen, und ihre Larven müssen nach dem Ansiedeln Zooxanthellen aus dem umgebenden Wasser aufnehmen. Sie müssen ihre Symbionten also praktisch selbst in der Umgebung finden und aufnehmen. Die übrigen Korallenarten (etwa 75 %) gehen diesen zweiten Weg.

Beide Strategien funktionieren, haben aber unterschiedliche Folgen. Die vertikale Übertragung gibt die spezifische Algenkombination der Eltern weiter, schränkt aber die Flexibilität ein. Bei der horizontalen Übertragung müssen junge Korallen die verletzliche Phase überstehen, bevor ihre Algenpartnerschaft steht, können dafür aber genau die lokalen Algenstämme aufnehmen, die am besten zu ihrer jeweiligen Umgebung passen. Diese Flexibilität ist ein Grund, warum sich Arten mit horizontaler Übertragung womöglich schneller an veränderte Bedingungen anpassen.

Weitere Symbiosen am Riff

Die Partnerschaft von Koralle und Zooxanthellen ist die grundlegende Symbiose eines Riffs, doch viele weitere Partnerschaften bauen darauf auf. Anemonenfische leben in Seeanemonen (ebenfalls Nesseltiere) und sind dank einer speziellen Schleimschicht gegen deren Nesselzellen immun; der Fisch erhält Schutz vor Fressfeinden, die Anemone Nährstoffe aus den Ausscheidungen des Fisches. Putzergarnelen und Putzerlippfische betreiben Putzerstationen, an denen sich größere Fische Parasiten von Haut und Kiemen und sogar aus dem Maul entfernen lassen: Die Putzer bekommen Futter, die Kunden eine Schädlingsbekämpfung. Bestimmte Krabben leben versteckt in verzweigten Korallen, ernähren sich von Korallenschleim und verteidigen ihren Wirt gegen korallenfressende Seesterne.

Riesenmuscheln (Tridacna-Arten) beherbergen eigene Zooxanthellen in ihrem ausgestreckten Mantelgewebe und funktionieren praktisch wie lebende Solarmodule: Dank der Photosyntheseleistung ihrer Algenpartner können sie in nährstoffarmem tropischem Wasser enorme Größen erreichen (über einen Meter breit). Gorgonien und Peitschenkorallen (Weichkorallen) beherbergen oft ebenfalls eigene Zooxanthellen, allerdings in geringerer Dichte als riffbildende Steinkorallen. Manche Meeresnacktschnecken fressen gezielt Algen, um deren Chloroplasten zu stehlen und sie danach noch wochenlang für ihre eigene Photosynthese zu nutzen. Das Ökosystem Riff ist durchzogen von solchen kleinen Partnerschaften, die alle zum Ganzen beitragen.

Leben ohne Zooxanthellen

Nicht jede Koralle braucht Zooxanthellen. Tiefseekorallen leben unterhalb der lichtdurchfluteten Zone (meist in 200 bis über 1.000 Metern Tiefe) und beziehen ihre gesamte Energie aus dem Einfangen treibender organischer Partikel und kleinen Planktons. Ohne den Energieschub durch Photosynthese wachsen sie extrem langsam, können aber, wie bereits erwähnt, auch Tausende von Jahren alt werden. Manche Weichkorallen im Flachwasser (siehe unseren Beitrag zu Steinkorallen und Weichkorallen) beherbergen nur wenige oder gar keine Zooxanthellen und verlassen sich stärker auf das Filtrieren von Nahrung. Solitäre Becherkorallen haben oft überhaupt keine Algenpartner und überleben als kleine, langsam wachsende Einzelpolypen in Lebensräumen, in denen die Partnerschaft mit Zooxanthellen keinen Vorteil bringt.

Das Fazit

Die Partnerschaft von Koralle und Zooxanthellen ist wohl der wichtigste Mutualismus im Meer. Winzige Dinoflagellaten-Algen in den Korallenzellen decken durch Photosynthese bis zu 90 % des Energiebedarfs ihres Wirts und erhalten dafür Schutz und Nährstoffe. Diese Partnerschaft treibt den Riffbau an, verleiht Korallen ihre Farben und macht tropische Flachwasserriffe überhaupt erst möglich. Zerbricht die Partnerschaft unter Hitzestress oder anderen Belastungen, bleichen Korallen aus und können verhungern. Manche Korallen können unter Stress zu hitzetoleranteren Symbionten wechseln, allerdings auf Kosten von Wachstum und Fortpflanzung. Auf dieser grundlegenden Symbiose bauen viele weitere Riffpartnerschaften auf – Anemonenfische und Anemonen, Putzerstationen, Korallenkrabben, Riesenmuscheln –, die alle zum Ökosystem beitragen. Wenn Sie all diese Partnerschaften an einem lebenden karibischen Riff in Aktion sehen möchten, schreiben Sie uns über unser Kontaktformular mit Ihren Reisedaten, und wir organisieren Ihnen einen Ausflug zu einem unserer Tauchplätze in Cabeza de Toro.