Fortpflanzung und Lebensgeschichte

Algen regenerieren sich durch sexuelle Fortpflanzung mit männlichen und weiblichen Gameten (Geschlechtszellen), durch ungeschlechtliche Fortpflanzung oder auf beide Arten.

Asexuelle Fortpflanzung ist die Erzeugung von Nachkommen ohne die Vereinigung von Zellen oder Kernmaterial. Viele kleine Algen vermehren sich ungeschlechtlich durch normale Zellteilung oder durch Fragmentierung, während sich größere Algen durch Sporen vermehren. Einige Rotalgen produzieren Monosporen (wandige, nichtflagellate, kugelförmige Zellen), die von Wasserströmungen getragen werden und nach der Keimung einen neuen Organismus hervorbringen. Einige Grünalgen produzieren unbewegliche Sporen, so genannte Aplanosporen, während andere Zoosporen produzieren, die keine echten Zellwände haben und eine oder mehrere Geißeln tragen. Diese Geißeln ermöglichen es den Zoosporen, zu einer günstigen Umgebung zu schwimmen, während Monosporen und Aplanosporen auf den passiven Transport durch Wasserströmungen angewiesen sind.

Die geschlechtliche Fortpflanzung ist durch den Prozess der Meiose gekennzeichnet, bei dem die Nachkommenzellen die Hälfte ihrer genetischen Informationen von jeder Elternzelle erhalten. Die sexuelle Fortpflanzung wird in der Regel durch Umwelteinflüsse gesteuert. Bei vielen Arten wird die sexuelle Fortpflanzung ausgelöst, wenn Temperatur, Salzgehalt, anorganische Nährstoffe (z. B. Phosphor, Stickstoff und Magnesium) oder die Tageslänge ungünstig werden. Ein sich sexuell fortpflanzender Organismus hat in der Regel zwei Phasen in seinem Lebenszyklus. In der ersten Phase hat jede Zelle einen einzigen Chromosomensatz und wird als haploid bezeichnet, während in der zweiten Phase jede Zelle zwei Chromosomensätze hat und als diploid bezeichnet wird. Wenn eine haploide Gamete bei der Befruchtung mit einer anderen haploiden Gamete verschmilzt, wird die entstehende Kombination mit zwei Chromosomensätzen als Zygote bezeichnet. Entweder sofort oder zu einem späteren Zeitpunkt durchläuft eine diploide Zelle direkt oder indirekt einen speziellen reduktiven Zellteilungsprozess (Meiose). Diploide Zellen in diesem Stadium werden als Sporophyten bezeichnet, weil sie Sporen produzieren. Während der Meiose wird die Chromosomenzahl eines diploiden Sporophyten halbiert, und die entstehenden Tochterzellen sind haploid. Irgendwann, sofort oder später, fungieren die haploiden Zellen direkt als Gameten. Bei Algen, wie auch bei Pflanzen, werden haploide Zellen in diesem Stadium als Gametophyten bezeichnet, weil sie Gameten produzieren.

Die Lebenszyklen von sich sexuell fortpflanzenden Algen variieren; bei einigen ist das dominierende Stadium der Sporophyt, bei anderen der Gametophyt. Sargassum (Klasse Phaeophyceae) zum Beispiel hat einen diploiden Körper (Sporophyt), und die haploide Phase wird durch Gameten repräsentiert. Ectocarpus (Klasse Phaeophyceae) hat abwechselnd diploide und haploide vegetative Stadien, während Spirogyra (Klasse Charophyceae) ein haploides vegetatives Stadium hat und die Zygote die einzige diploide Zelle ist.

Vor allem bei Süßwasserarten geht das befruchtete Ei oder die Zygote oft in einen ruhenden Zustand über, der Zygospore genannt wird. Zygosporen verfügen im Allgemeinen über einen großen Vorrat an Nahrungsreserven und eine dicke, widerstandsfähige Zellwand. Nach einem geeigneten Umweltreiz, wie z. B. einer Veränderung von Licht, Temperatur oder Nährstoffen, werden die Zygosporen zur Keimung angeregt und beginnen eine neue Wachstumsphase.

Die meisten Algen können Tage, Wochen oder Monate lang leben. Kleine Algen sind manchmal während einer kurzen Periode des Jahres in Hülle und Fülle vorhanden und bleiben den Rest des Jahres inaktiv. Bei einigen Arten handelt es sich bei der ruhenden Form um eine widerstandsfähige Zyste, während andere Arten im vegetativen Zustand verbleiben, allerdings in sehr geringer Populationszahl. Einige große, festsitzende Arten sind echte Stauden. Sie können den Hauptkörper am Ende der Vegetationsperiode verlieren, aber der anhaftende Teil, die Haltefasern, produzieren erst zu Beginn der nächsten Vegetationsperiode neues Wachstum.

Die Rotalgen, wie zum Beispiel Polysiphonia, haben einige der komplexesten Lebenszyklen, die für lebende Organismen bekannt sind. Nach der Meiose entstehen vier haploide Tetrasporen, die auskeimen und entweder einen männlichen oder einen weiblichen Gametophyten hervorbringen. Wenn er reif ist, bildet der männliche Gametophyt spezielle Spermatangienzweige, die Strukturen tragen, die Spermatangien genannt werden und die Spermien, die männlichen Keimzellen, enthalten. Der weibliche Gametophyt produziert spezielle carpogoniale Äste, die carpogonia, die weiblichen Geschlechtszellen, tragen. Die Befruchtung findet statt, wenn ein männliches Spermatium, das von der Wasserströmung getragen wird, mit dem verlängerten Teil eines weiblichen Carpogoniums zusammenstößt und die beiden Geschlechtszellen verschmelzen. Das befruchtete Carpogonium (die Zygote) und das sie umgebende Gewebe des weiblichen Gametophyten entwickeln sich zu einer körbchen- oder pustelförmigen Struktur, die als Carposporophyt bezeichnet wird. Der Carposporophyt produziert und entlässt schließlich diploide Carposporen, die sich zu Tetrasporophyten entwickeln. Bestimmte Zellen des Tetrasporophyten durchlaufen eine Meiose, um Tetrasporen zu produzieren, und der Zyklus wiederholt sich. Im Lebenszyklus von Polysiphonia und vielen anderen Rotalgen gibt es getrennte männliche und weibliche Gametophyten, Carposporophyten, die sich auf den weiblichen Gametophyten entwickeln, und getrennte Tetrasporophyten.

Die Lebenszyklen von Kieselalgen, die diploid sind, sind ebenfalls einzigartig. Die Wände der Kieselalgen, die sogenannten Frusteln, bestehen aus zwei sich überlappenden Teilen (den Klappen). Bei der Zellteilung bilden sich in der Mitte der Zelle zwei neue Klappen, die das Protoplasma in zwei Teile aufteilen. Folglich sind die neuen Klappen im Allgemeinen etwas kleiner als die ursprünglichen, so dass nach vielen aufeinander folgenden Generationen die meisten Zellen der wachsenden Population kleiner sind als ihre Eltern. Wenn solche Diatomeen eine kritische Größe erreichen, kann die sexuelle Fortpflanzung angeregt werden. Die kleinen diploiden Zellen durchlaufen eine Meiose, und bei den pennaten (dünnen, elliptischen) Diatomeen verschmelzen die entstehenden haploiden Gameten zu einer Zygote, die recht groß wird und eine besondere Art von Zelle bildet, die Auxospore. Die Auxospore teilt sich und bildet zwei große, vegetative Zellen, und auf diese Weise wird die größere Zelle erneuert. Bei zentrischen Diatomeen gibt es eine deutliche Unterscheidung zwischen unbeweglichen weiblichen Gameten, die als Eizellen fungieren, und beweglichen (typischerweise einflockigen) männlichen Gameten.