Dinoflagellaten: Die Lebewesen hinter dem Meeresleuchten

Wenn nachts eine Welle blau aufleuchtet, sind häufig unzählige winzige Lebewesen daran beteiligt: Dinoflagellaten. Jeder einzelne von ihnen besteht nur aus einer Zelle. Gemeinsam können sie dennoch ganze Wasserflächen zum Funkeln bringen.

Doch Dinoflagellaten sind weit mehr als „Leuchtalgen“. Die vielfältigen Einzeller leben in beinahe allen aquatischen Lebensräumen. Einige gewinnen Energie aus Sonnenlicht, andere jagen kleinere Organismen, manche tun beides. Sie bilden Lebensgemeinschaften mit Korallen, sind Teil mariner Nahrungsnetze und können unter bestimmten Bedingungen große Algenblüten bilden.

Nur ein Teil der Dinoflagellaten besitzt die Fähigkeit zur Biolumineszenz. Gerade diese Arten zeigen besonders eindrucksvoll, wie außergewöhnlich selbst eine einzige mikroskopisch kleine Zelle sein kann.

Was sind Dinoflagellaten?

Dinoflagellaten sind überwiegend einzellige Eukaryoten. Das bedeutet, dass ihre Zellen – anders als die von Bakterien – einen Zellkern und weitere spezialisierte Zellbestandteile besitzen. Wissenschaftlich werden sie den Alveolata zugeordnet, einer großen Verwandtschaftsgruppe innerhalb der Eukaryoten.

Die Bezeichnung leitet sich von den Geißeln vieler Arten ab. Das sind feine, fadenförmige Zellfortsätze, die der Fortbewegung dienen. Bei einem typischen Dinoflagellaten verläuft eine Geißel quer um die Zelle, während die andere längs ausgerichtet ist. Ihr Zusammenspiel kann eine drehende oder wirbelnde Bewegung erzeugen.

Allerdings sieht nicht jeder Dinoflagellat gleich aus. Manche Arten besitzen feste Zelluloseplatten, die wie ein kleiner Panzer wirken. Andere haben eine weniger stark gepanzerte Zellhülle. Auch Form, Größe, Ernährung und Lebenszyklus unterscheiden sich erheblich. Selbst die typischen Geißeln sind nicht in jeder Lebensphase sichtbar: Reife Zellen der Gattung Pyrocystis verbringen beispielsweise einen großen Teil ihres Lebens in einem unbeweglichen Stadium.

Abb. 1: Vereinfachte Darstellung eines typischen Dinoflagellaten mit zwei Geißeln

Sind Dinoflagellaten Algen, Tiere oder etwas Eigenes?

Dinoflagellaten werden im Alltag häufig als Algen bezeichnet. Für photosynthetisch aktive Arten ist der Ausdruck „Leuchtalgen“ verständlich und praktisch. Wissenschaftlich ist die Einordnung jedoch komplexer.

Dinoflagellaten sind keine Tiere. Sie gehören aber auch nicht alle zu den Algen im engeren, rein photosynthetischen Sinn. Innerhalb der Gruppe gibt es sehr unterschiedliche Ernährungsweisen:

• Photosynthetische Dinoflagellaten nutzen Lichtenergie und bilden organische Stoffe aus anorganischen Ausgangsstoffen.

• Heterotrophe Dinoflagellaten nehmen andere Organismen oder organisches Material als Nahrung auf.

• Mixotrophe Dinoflagellaten verbinden Photosynthese und Nahrungsaufnahme miteinander.

• Einige Arten leben als Parasiten oder Symbionten in enger Beziehung mit anderen Lebewesen.

Ein Dinoflagellat lässt sich deshalb nicht allein anhand seiner Verwandtschaft als „Pflanze“ oder „Tier“ beschreiben. Gerade diese Mischung verschiedener Lebensweisen macht die Gruppe biologisch so spannend.

Abb 2.: Unterschiedliche Ernährungsweisen von Dinoflagellaten

Wo leben Dinoflagellaten?

Dinoflagellaten kommen vor allem im Meer vor, es gibt sie aber auch im Süßwasser. Viele Arten gehören zum Plankton. Damit sind Organismen gemeint, deren Bewegung wesentlich durch Wasserströmungen bestimmt wird. Andere Dinoflagellaten leben am Meeresboden, auf Pflanzen oder in anderen Organismen.

Im offenen Meer, in Küstengewässern, Seen und Flussmündungen treffen sie auf sehr unterschiedliche Bedingungen. Licht, Temperatur, Salzgehalt, Nährstoffe, Strömungen und vorhandene Beute beeinflussen, welche Arten sich an einem Ort entwickeln können.

Einige Dinoflagellaten bilden widerstandsfähige Ruhestadien. Solche Zysten können ungünstige Phasen im Sediment überdauern. Verbessern sich die Umweltbedingungen, kann daraus wieder eine aktive Lebensphase entstehen. Die Lebenszyklen unterscheiden sich allerdings stark zwischen den Arten und sind längst nicht in jedem Detail erforscht.

Wie ernähren sich Dinoflagellaten?

Viele bekannte Dinoflagellaten besitzen Chloroplasten und betreiben Photosynthese. Dabei nutzen sie Lichtenergie, um energiereiche organische Stoffe aufzubauen. Als Bestandteil des Phytoplanktons tragen solche Arten zur Primärproduktion in Gewässern bei und bilden damit eine Grundlage aquatischer Nahrungsnetze.

Andere Dinoflagellaten ernähren sich von Bakterien, Algen oder weiteren kleinen Organismen. Je nach Art können sie Beute umschließen, Zellinhalte aufnehmen oder besondere Fangstrukturen einsetzen.

Besonders interessant ist die Mixotrophie. Ein mixotropher Dinoflagellat kann Photosynthese betreiben und zugleich Nahrung aufnehmen. Dadurch lässt sich seine Lebensweise nicht sauber in „pflanzlich“ oder „tierisch“ aufteilen. Welche Energiequelle gerade wichtiger ist, kann von Licht, Nährstoffen und verfügbarer Beute abhängen.

Welche Bedeutung haben Dinoflagellaten im Meer?

Dinoflagellaten können Produzenten, Beutetiere, Räuber, Parasiten und Symbiosepartner sein. Entsprechend vielfältig ist ihre Rolle im Ökosystem.

Photosynthetische Arten binden Kohlendioxid und erzeugen Biomasse. Diese wird von anderen Organismen gefressen und gelangt so in das marine Nahrungsnetz. Heterotrophe und mixotrophe Dinoflagellaten beeinflussen wiederum die Bestände von Bakterien und anderem Plankton.

Einige besonders bekannte Dinoflagellaten leben in enger Gemeinschaft mit Korallen. Diese Symbionten stellen ihrem Wirt einen Teil der durch Photosynthese gewonnenen Stoffe zur Verfügung und erhalten dafür einen geschützten Lebensraum sowie Nährstoffe. Werden Korallen durch ungewöhnlich hohe Temperaturen oder andere Belastungen gestresst, kann diese Partnerschaft gestört werden. Der Verlust der symbiotischen Zellen oder ihrer Pigmente wird als Korallenbleiche sichtbar.

Damit wirken Dinoflagellaten auf Prozesse, die von mikroskopischen Wechselwirkungen bis zu ganzen Riffökosystemen reichen.

Was sind Algenblüten – und sind Dinoflagellaten gefährlich?

Wenn sich bestimmte Mikroalgen stark vermehren und in hoher Konzentration auftreten, spricht man von einer Algenblüte. Einige Dinoflagellaten können solche Blüten bilden. Manchmal färben ihre Pigmente das Wasser rötlich oder bräunlich, weshalb häufig der Ausdruck „Red Tide“ verwendet wird.

Der Begriff kann jedoch missverständlich sein: Nicht jede Algenblüte ist rot, nicht jede ist schädlich und nicht jede schädliche Algenblüte wird von Dinoflagellaten verursacht.

Einige Arten bilden Giftstoffe, die Fische, Meeressäuger oder Menschen gefährden können. Andere Blüten schädigen ein Gewässer indirekt, etwa wenn beim Abbau großer Biomassemengen Sauerstoff verbraucht wird. Viele Dinoflagellaten sind dagegen weder toxinbildend noch mit problematischen Massenentwicklungen verbunden.

Auch die Fähigkeit zur Biolumineszenz sagt für sich genommen nichts darüber aus, ob eine Art Giftstoffe bildet. „Dinoflagellat“, „leuchtend“ und „toxisch“ sind keine gleichbedeutenden Begriffe. Entscheidend ist immer, um welche Art und welche Umweltbedingungen es sich handelt.

Welche Dinoflagellaten können leuchten?

Nur bestimmte Dinoflagellaten besitzen ein biolumineszentes System. Bekannte leuchtende Vertreter finden sich unter anderem in den Gattungen Noctiluca, Pyrodinium, Lingulodinium und Pyrocystis.

In ihren Zellen befinden sich spezialisierte Strukturen, die häufig als Scintillons bezeichnet werden. Dort wirken unter anderem der lichtbildende Stoff Luciferin und das Enzym Luciferase zusammen. Ein mechanischer Reiz kann eine schnelle Signalkette auslösen, an deren Ende ein sehr kurzer blauer Lichtblitz steht.

Ein einzelner Dinoflagellat erzeugt nur eine winzige Lichtmenge. Befinden sich jedoch sehr viele leuchtfähige Zellen im Wasser, werden ihre Reaktionen gemeinsam sichtbar: Ein Paddel zieht eine blaue Spur, ein Fisch hinterlässt leuchtende Wirbel und brechende Wellen funkeln entlang des Strandes.

Wie die chemische Reaktion der Biolumineszenz funktioniert und welche anderen Lebewesen Licht erzeugen, erklären wir im Grundlagenartikel „Biolumineszenz: Wie und warum erzeugen Lebewesen Licht?“.

Warum leuchten Dinoflagellaten bei Bewegung?

Mechanischer Druck oder Verformung der Zelle kann bei biolumineszenten Dinoflagellaten den Lichtblitz auslösen. In der Natur entstehen solche Reize beispielsweise durch Strömungen, Wellen, schwimmende Tiere oder den Kontakt mit einem Fressfeind.

Warum sich diese Reaktion entwickelt hat, ist nicht für jede Art abschließend geklärt. Besonders häufig werden zwei Schutzfunktionen diskutiert:

1. Ein Lichtblitz könnte einen Angreifer erschrecken oder irritieren.

2. Das Licht könnte größere Räuber auf den ursprünglichen Angreifer aufmerksam machen – vergleichbar mit einem Einbrecheralarm.

Die zweite Erklärung beschreibt eine indirekte Verteidigung: Wird ein kleiner Planktonräuber durch das Licht sichtbar, steigt möglicherweise sein eigenes Risiko, gefressen zu werden.

Wellen und Boote lösen dieselbe Reaktion aus, obwohl sie natürlich keine Fressfeinde sind. Deshalb erscheint die Wasserbewegung für uns wie ein Lichtschalter. Tatsächlich beobachten wir die Antwort empfindlicher lebender Zellen auf mechanische Belastung.

Mehr über das Naturphänomen an Küsten erfährst du in unserem Beitrag „Warum leuchtet das Meer?“.

Warum leuchten sie nicht am Tag?

Bei vielen biolumineszenten Dinoflagellaten wird die Leuchtfähigkeit durch eine innere Uhr gesteuert. Dieser circadiane Rhythmus ist ungefähr auf einen 24-Stunden-Zyklus abgestimmt und wird durch regelmäßige Hell-Dunkel-Phasen synchronisiert.

Die Organismen sind deshalb vor allem während ihrer biologischen Nacht leuchtbereit. Helligkeit allein erklärt den Unterschied nicht vollständig: Auch wenn eine Kultur tagsüber abgedunkelt wird, reagiert sie normalerweise nicht automatisch so wie während ihrer gewohnten Dunkelphase.

Je nach Art verändern sich im Tagesverlauf die Menge, Aktivität oder Position der an der Lichtreaktion beteiligten Zellbestandteile. Bei Pyrocystis lunula spielt unter anderem die tageszeitabhängige räumliche Organisation innerhalb der Zelle eine Rolle.

Abb. 3: Tag-Nacht-Rhythmus biolumineszenter Dinoflagellaten

Pyrocystis lunula: ein besonderer Dinoflagellat

Pyrocystis lunula ist ein mariner, photosynthetisch aktiver und biolumineszenter Dinoflagellat. Der Artname lunulabedeutet sinngemäß „kleiner Mond“ und passt zur charakteristischen halbmond- oder sichelähnlichen Form ausgewachsener Zellen.

Die Art wird in der Forschung als Modellorganismus für die Untersuchung der Biolumineszenz verwendet. Sie besitzt einen ausgeprägten Tag-Nacht-Rhythmus und erzeugt bei geeigneter mechanischer Reizung blaue Lichtblitze. Anders als die typische Vorstellung eines ständig umherschwimmenden Dinoflagellaten verbringt die reife Zelle einen großen Teil ihres Lebens unbeweglich. Bewegliche Stadien treten im Zusammenhang mit der Vermehrung auf.

Pyrocystis lunula ist deshalb ein schönes Beispiel für die Vielfalt innerhalb der Dinoflagellaten: eine einzige Zelle, die Photosynthese, innere Zeitmessung, komplexe Fortpflanzungsstadien und eine sichtbare Lichtreaktion miteinander verbindet.

Abb. 4: Illustration von einer Leuchtalge Pyrocystis lunula unter dem Mikroskop

Kann man leuchtende Dinoflagellaten zu Hause halten?

Bestimmte Arten lassen sich als lebende Kulturen beobachten. Sie benötigen passende Bedingungen, einen regelmäßigen Hell-Dunkel-Rhythmus und einen sorgfältigen Umgang. Während der Lichtphase betreiben photosynthetische Dinoflagellaten Photosynthese. In ihrer Dunkelphase kann eine sanfte Bewegung die Biolumineszenz sichtbar machen.

Dabei bleibt die Kultur ein lebendes System. Die Leuchtintensität kann schwanken, nach dem Versand vorübergehend geringer sein oder sich durch Veränderungen des Rhythmus verschieben. Das Leuchten ist keine unbegrenzt abrufbare Dauerbeleuchtung.

Wer Pyrocystis lunula selbst beobachten möchte, findet in unserem Meeresleuchten in der Flasche eine lebende Dinoflagellaten-Kultur. Ausführliche Hinweise zu Licht, Dunkelphase, Bewegung und Pflege stehen in unserer FAQ zu den Leuchtalgen.

Eine Zelle voller Überraschungen

Dinoflagellaten gehören zu den vielseitigsten Mikroorganismen in unseren Gewässern. Sie können Sonnenlicht nutzen, Beute aufnehmen, mit anderen Lebewesen zusammenarbeiten, widerstandsfähige Ruhestadien bilden – und in manchen Fällen eigenes Licht erzeugen.

Das blaue Funkeln einer Welle ist damit nur der sichtbarste Moment einer viel größeren Geschichte. Hinter jedem Lichtpunkt steht eine einzelne Zelle mit erstaunlich komplexen Fähigkeiten. Wer Meeresleuchten betrachtet, sieht nicht bloß einen schönen Effekt, sondern das gemeinsame Signal unzähliger lebender Dinoflagellaten.

Quellen und weiterführende Literatur

Du recherchierst für eine Facharbeit, ein Referat oder ein Studium? Die folgenden Quellen bieten wissenschaftliche und weiterführende Informationen. Bitte beachte für direkte Zitate und Literaturangaben die Zitierregeln deiner Schule oder Hochschule.

1. Hackett, J. D., Anderson, D. M., Erdner, D. L. & Bhattacharya, D. (2004): Dinoflagellates: A Remarkable Evolutionary Experiment. American Journal of Botany, 91(10), 1523–1534.  Link

2. Janouškovec, J. et al. (2017): Major Transitions in Dinoflagellate Evolution Unveiled by Phylotranscriptomics.Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(2), E171–E180. Link

3. Stoecker, D. K., Hansen, P. J., Caron, D. A. & Mitra, A. (2017): Mixotrophy in the Marine Plankton. Annual Review of Marine Science, 9, 311–335. Link

4. Valiadi, M. & Iglesias-Rodriguez, M. D. (2013): Understanding Bioluminescence in Dinoflagellates—How Far Have We Come? Microorganisms, 1(1), 3–25. Link

5. Fajardo, C. et al. (2020): New Perspectives Related to the Bioluminescent System in Dinoflagellates: Pyrocystis lunula, a Case Study. International Journal of Molecular Sciences, 21(5), 1784. Link

6. University of California Museum of Paleontology: Life History and Ecology of the Dinoflagellata