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MEERESKUNDE: TEAMGEIST IN DER TIEFSEE


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 1/2020 vom 14.12.2019

Marine Mikroorganismen zeichnen sich durch eine erstaunliche Kooperationsfähigkeit aus. Diese Zusammenarbeit prägte vermutlich schon früh das Leben auf der Erde – und ermöglichte vielleicht erst unsere Existenz.


Artikelbild für den Artikel "MEERESKUNDE: TEAMGEIST IN DER TIEFSEE" aus der Ausgabe 1/2020 von Spektrum der Wissenschaft. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 1/2020

Jeffrey Marlow (links) ist promovierter Mikrobiologe und forscht an der Harvard University in Cambridge (USA) über mikrobielle Stoffwechselaktivitäten in komplexen Ökosystemen. Rogier Braakman ist promovierter Chemiker und untersucht am Massachusetts Institute of Technology Rückkopplungsprozesse zwischen der Erde und ihren Lebewesen.

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► In etwa 800 Meter Wassertiefe ...

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... enthüllen die flackernden Scheinwerfer des Tauchboots »Alvin« eine farbenprächtige Oase. Plüschteppiche aus weißen, gelben und orangefarbenen Mikroorganismen bedecken den von Muschelfeldern durchsetzten Meeresboden. Rote Felsenbarsche beobachten mit ihren hervorstehenden, milchigtrüben Augen argwöhnisch das Unterwasserfahrzeug; gleichzeitig blubbert es aus bizarr geformten Kalkschloten. Der Lichtkegel bietet unerwartete Einblicke und lockt uns immer tiefer in diese fremdartige Unterwasserwelt, von der das meiste verborgen im Dunkeln liegt.

Auf jener Expedition im Jahr 2010 hatte sich einer von uns (Marlow) zusammen mit zwei weiteren Forschern wenige Stunden zuvor in die enge Titanglaskugel der Alvin gezwängt. Wir drückten unsere Nasen an die kreisrunden Bullaugen, während wir durch das Blau der Tiefe hinabsanken. Unser Ziel war der Hydratrücken vor der Küste Oregons – ein felsiger Bereich des Meeresbodens, an dem beträchtliche Mengen Methan aus der Erdkruste gepresst werden. Da immer mehr dieser unterseeischen Methanquellen entdeckt wurden (allein auf einer Expedition im Ostpazifik stieß man 2016 auf 450 Exemplare), interessieren sich Wissenschaftler zunehmend dafür, wie sich diese Regionen auf die Umwelt auswirken. Schließlich gilt Methan als starkes Treibhausgas: Obwohl es lediglich 0,00018 Prozent der Atmosphäre ausmacht, trägt es 20 Prozent zum Erderwärmungspotenzial bei. Schätzungen zufolge stammt etwa ein Zehntel des Methans, das jährlich in die Atmosphäre gelangt, aus jenen Quellen am Meeresgrund. Ein solch unkontrollierter Gasblasenstrom würde sich verheerend auf unser Klima auswirken – wenn es nicht etwas gäbe, das eine übermäßige Gasanreicherung in der Atmosphäre verhindert: Mikroorganismen.

Jene Kleinstlebewesen, die unter den weißen Matten und Muschelschalen leben, verzehren Methan mit beachtlichem Appetit. Als Individuen winzig, doch in Gemeinschaft mächtig, wirken sie in vielfältiger Weise zusammen: Sie gestalten und versorgen ihre Ökosysteme und beeinflussen das Klima unseres Planeten. Zwar kennen Forscher sie schon seit Jahrzehnten, vieles blieb bei den Mikroorganismen jedoch rätselhaft. Vor allem das tatsächliche Ausmaß ihres Einflusses ist unbekannt. Beschränkt sich ihr Lebensraum nur auf wenige Bereiche des Meeresbodens oder sind sie allgegenwärtig? Und stehen sie in einem ständigen Konkurrenzkampf um Ressourcen, wie Wissenschaftler lange vermuteten? Um das herauszufinden, suchten wir jenen fernen Ort in der pechschwarzen Tiefe auf.

Unsere Forschungsreise zu den Mikroben der Tiefsee fügt sich nahtlos in das Bestreben der Wissenschaft, die Funktionsweise unseres Planeten besser zu verstehen. Es geht darum herauszufinden, wie die chemischen Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor zwischen den verschiedenen Ökosystemen zirkulieren oder wie sie als Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen. Schließlich leben wir in einer Welt voller Mikroben: Von Gesteinen tief unten im Meeresboden bis hin zu Wüstenstaubpartikeln hoch oben in der Atmosphäre – Mikroorganismen gibt es nahezu überall. Und schon lange haben Forscher erkannt, welch wichtige Rolle diese Lebewesen bei der Verbreitung chemischer Elemente und Verbindungen spielen, so dass sie letztlich die Erde zu dem gemacht haben, was sie heute ist: ein Planet, auf dem wir problemlos leben können.

Mikroorganismen des Meeres wie das Zyanobakterium Prochlorococcus und das Bakterium Pelagibacter bilden enge Kooperationen.


WILLIAM B. HAND / SCIENTIFIC AMERICAN NOVEMBER 2018; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

Allerdings verloren die Wissenschaftler bei der Erforschung von Mikroorganismen den Blick fürs Ganze. Denn jahrzehntelang konzentrierten sie sich auf individuelle Arten und deren molekulare Bestandteile. So isolierten sie einzelne Organismen aus den zwischen Sandkörnern herumwuselnden Mikrobenmassen, um mit unterschiedlichsten Methoden deren Biochemie oder Genfunktionen zu ergründen. Damit gewannen sie nicht nur eine Fülle an InformatioMikroorganismen nen über die jeweiligen Spezies, sondern fanden auch heraus, wie Zellen und Biomoleküle allgemein funktionieren. Als die Forscher jedoch auf der Grundlage ihrer zusammengetragenen Erkenntnisse über einzelne Mikrobenarten versuchten, die Biosphäre als Ganzes zu verstehen, offenbarten sich umfangreiche Wissenslücken. Nur ein kleiner Teil der Mikroorganismen ließ sich kultivieren – offenbar bilden sie komplex miteinander verwobene Lebensgemeinschaften, die unter Laborbedingungen kaum reproduzierbar sind. Und genau diese Koexistenz zahlreicher, oft einander ergänzender Mikrobenspezies schien der gängigen Lehrmeinung krass zu widersprechen, nach der es in mikrobiellen Ökosystemen letztlich nur darum geht, wer im Kampf um die Ressourcen der Stärkere ist.

Kooperation als entscheidende Triebkraft

Bildgebende Verfahren verraten, was sich in Zellaggregaten von untermeerischen Methanquellen verbirgt. In jeder Spalte ist ein anderer Stoffwechselweg markiert, so dass anaerobe Methanotrophe und Sulfatreduzierer in jeweils unterschiedlichen Farben erscheinen.


MCGLYNN, S.E. ET AL.: SINGLE CELL ACTIVITY REVEALS DIRECT ELECTRON TRANSFER IN METHANOTROPHIC CONSORTIA. NATURE 526, 2015, FIG. 1; NUTZUNG GENEHMIGT VON SPRINGER NATURE / CCC

Darüber hinaus stimmten die in Laborexperimenten gemessenen Raten der Stoffwechselaktivität – etwa die Geschwindigkeit, mit der einzelne Mikroorganismen Sauerstoff produzieren oder Stickstoff verbrauchen – nur selten mit den tatsächlichen Werten in der Natur überein, da die wenigen kultivierbaren Mikroben das Gesamtbild verfälschen. Mit anderen Worten: Das große Ganze glich niemals exakt der Summe seiner Teile; manchmal war es mehr, manchmal aber auch weniger.

Hier hilft es, die Interaktionen zwischen Organismen stärker zu beachten. Dank technologischer Fortschritte im letzten Jahrzehnt, etwa bei der Sequenzierung von Biomolekülen oder der mikroskopischen Bildgebung, können Wissenschaftler mikrobielle Gemeinschaften ganzheitlicher studieren als jemals vorher. Die jüngsten Forschungsergebnisse zeigen, dass Kooperation als entscheidende Triebkraft innerhalb der Biosphäre wirkt. Sobald einzelne Lebewesen Energie, genetische Informationen und Stoffwechselaufgaben austauschen, bereiten sie den Boden für neue Lebensformen und erschließen sich Habitate, die zuvor unzugänglich blieben.

Später an jenem Nachmittag untersuchen wir im geräumigen Labor an Bord des Forschungsschiffs den etwa 30 Zentimeter tiefen Querschnitt des Meeresbodens, den wir auf unserer Tauchfahrt gewonnen hatten. Unterhalb der weißen Mikrobenmatte folgt eine Zone aus beigefarbenem Schlamm, der in eine schwarze, von Gesteinsbrocken durchsetzte Schmiere – jene Kruste, die uns bei der Probennahme kurzfristig Widerstand leistete – und schließlich in ein Gemisch aus dunkelgrauer Farbe übergeht. Unsere mikroskopische Jagdbeute verbirgt sich in der dunkelsten Schicht, die penetrant nach faulen Eiern stinkt. Das ist die Zone, in der das in tieferen Bodenhorizonten gebildete Methan und das aus dem Meerwasser stammende Sulfat verbraucht werden, wie Untersuchungen in den 1980er Jahren nachgewiesen hatten. Allerdings scheiterten bislang die Versuche zahlreicher Wissenschaftler, hier eine Mikrobenspezies aufzuspüren, die sowohl Methan als auch Sulfat aufnimmt. Andere Forscher setzten Methan und Sulfat im Labor als Köder ein, um den Unbekannten aus seinem Versteck zu locken. Erst durch akribische Detektivarbeiten kam zu Beginn der 2000er Jahre schließlich heraus, dass es sich nicht um einen Einzeltäter, sondern um ein Team handelte: Aus zwei verschiedenen Mikrobenarten bestehende Zellaggregate leuchteten in den Experimenten verräterisch auf – ein Beweis für ihre Stoffwechselaktivität (siehe Bilder oben). Einer der beiden Partner verspeiste Methan, der andere veratmete dagegen Sulfat.

Dieser Prozess, die anaerobe Methanoxidation, kann allerdings nur ablaufen, wenn die entsprechenden Mikroorganismen eng miteinander gekoppelt sind. Methan ist ein energiereiches, aber außerordentlich stabiles Molekül.

Seine Bindungen lassen sich nur schwer aufbrechen, um die für den Stoffwechsel erforderlichen Elektronen freizusetzen. So genannte anaerobe methanotrophe Archaeen – nicht zu den Bakterien gehörende Mikroorganismen, die Methan ohne Sauerstoff verstoffwechseln – sind zwar in der Lage, das Methanmolekül zu knacken; dabei produzieren sie jedoch einen beträchtlichen Elektronenüberschuss, der ihren Stoffwechsel normalerweise zum Erliegen bringen sollte. Aber des einen Müll ist des anderen Schatz: Sulfat reduzierende Bakterien machen sich jenes Übermaß an Elektronen zu Nutze, um Sulfat in Sulfid umzuwandeln (das dem Sediment seinen fauligen Gestank verleiht) und den daraus resultierenden Energiegewinn einzustreichen. Es handelt sich um eine klassische Symbiose: Während die anaeroben Methanotrophen von einem flink arbeitenden Müllentsorgungsservice profitieren, genießen die Sulfat reduzierenden Bakterien die Vorzüge eines Kraftwerks in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft (siehe »Das Geheimnis der fehlenden Moleküle«, S. 43).

Wie wir bei unserer Expedition zum Hydratrücken beobachteten, geschieht der symbiotische Methanabbau nicht nur im Sediment, wo man dieses Phänomen erstmalig entdeckte, sondern auch im Inneren des Karbonatgesteins, das sich um die Methanquellen zu riesigen Hügeln auftürmt. Die Wechselwirkungen zwischen anaeroben methanotrophen Archaeen und Sulfat reduzierenden Bakterien mögen zwar nur im Mikromaßstab ablaufen – Untersuchungen im Schwarzen Meer, im Golf von Mexiko sowie in anderen Meeresgebieten belegen jedoch, dass es sich hierbei um einen weltweit verbreiteten Prozess handelt, der etwa 80 Prozent des aus dem Meeresboden austretenden Methans beseitigt.

Genetische Minimalisten ergänzen sich gegenseitig zum beiderseitigen Vorteil

In den mächtigen Gesteinsschichten unter der Erdoberfläche finden sich zahllose Beispiele für derartige mikrobielle Wechselwirkungen. Zudem machen die in den letzten Jahren analysierten DNA-Sequenzen von Mikroorganismen aus Tiefseesedimenten sowie auch aus dem Grundwasser deutlich, wie umfassend die Mitglieder solcher Gemeinschaften tatsächlich miteinander vernetzt sind. Die Genanalysen führten zu zwei verblüffenden Erkenntnissen: Zum einen unterscheiden sich die ursprünglichen Archaea von den Bakterien wesentlich stärker als bislang angenommen – die Anzahl der Verzweigungen im Stammbaum des Lebens stieg geradezu explosionsartig an.

Vielleicht noch überraschender ist die Entdeckung, wie klein die Genome dieser Mikroorganismen sind. Etliche von ihnen besitzen nicht einmal genügend genetische Informationen für eine voll funktionsfähige Zelle oder für einen kompletten Energiestoffwechsel. »Bei der Erforschung neuer Lebensräume fällt uns immer wieder auf, dass die gesamte Mikrobengemeinschaft durchaus in der Lage ist, bestimmte Prozesse wie etwa den Stickstoffumsatz durchzuführen «, erklärt die Umweltmikrobiologin Laura Hug von der kanadischen University of Waterloo, die an der Entdeckung zahlreicher, zuvor unbekannter Mikrobenarten beteiligt war. »Alle Einzelteile sind vorhanden, aber einen Orga Organismus, der dafür alles in seinem Genom hat, findet man kaum.«

So fehlen in der genetischen Ausstattung neu entdeckter Mikroorganismen oft die Informationen für sämtliche zum Proteinbau notwendigen Aminosäuren oder für die Nukleotide der DNA – was darauf schließen lässt, dass sie die entsprechenden Bausteine von benachbarten Zellen bekommen, die diese im Überschuss produzieren. Energie gewinnen die Mikrobengemeinschaften offenbar ebenfalls kollektiv: Einzelne Zellen führen bestimmte chemische Umwandlungen durch und geben das Produkt an nachgeschaltete Zellen weiter, bei denen entsprechende Folgereaktionen ablaufen. Diese gemeinschaftliche Nutzung von Energieressourcen sowie der gegenseitige Austausch von Zellbausteinen erfordert und ermöglicht gleichermaßen das Zusammenleben der verschiedenen Organismen

Auch wenn nah verwandte Zellen um dieselben Ressourcen konkurrieren mögen, offenbart die Fülle an genetischen Erkenntnissen, dass die Evolution auf höherer Ebene Spezialisierung und Zusammenarbeit förderte. Ähnlich wie die Weltwirtschaft von den regionalen Stärken einzelner Länder und dem internationalen Warenaustausch profitiert, setzen die mikrobiellen Gemeinschaften der Tiefsee und des Grundwassers auf Arbeitsteilung, um aus einem spärli chen Angebot effizient Ressourcen zu gewinnen. Auf diese Weise verwandeln sie selbst lebensfeindliche Umgebungen in bewohnbare Habitate.

Aber wie entstehen solche lebenswichtigen Kooperationen? Nach Ansicht einiger Wissenschaftler liegt ein entscheidender Faktor in der räumlichen Nähe: Vermehren sich eng verbundene Organismen, werden auch ihre Nachkommen in der Umgebung bleiben, denn dadurch sichern sie sich den Zugang zu elterlichen Ressourcen – wie ein Student, der bei seinen Eltern wohnt und nach wie vor die heimische Waschmaschine benutzt. Verharren aufeinander folgende Generationen dicht beieinander, begünstigt die natürliche Selektion jene Gene, die für die Herstellung der gemeinsam genutzten Ressourcen verantwortlich sind. Doch sobald sich die räumliche Distanz zwischen Eltern und Nachkommen vergrößert, tauchen durch Mutation Zellen mit einer anderen genetischen Ausstattung auf. Dann können schmarotzende Mutanten einen Selektionsvorteil gewinnen. Sie profitieren von den Gemeinschaftsressourcen, ohne die Kosten für deren Produktion zu tragen, machen sich innerhalb der Lebensgemeinschaft breit und verringern die Gesamtausbeute der kollektiven Stoffproduktion. Das Szenario gleicht der »Tragik der Allmende«: Wenn Bauern eine gemeinschaftliche Landfläche nutzen, wird jeder einzelne bestrebt sein, möglichst viel Vieh zu halten, was schließlich zur Überweidung und zum finanziellen Ruin aller führt. Diese Dynamik verdeutlicht, dass Zusammenarbeit und Teilen nur dann funktioniert, wenn viele Generationen derselben Spezies in enger Nachbarschaft leben – ein Prinzip, das auch als Gruppenselektion bezeichnet wird.

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EPICSTOCKMEDIA / FOTOLIA

Doch erklärt der Selektionsmechanismus wirklich umfassend die weit verbreitete mikrobielle Zusammenarbeit, oder mischen hier noch andere Faktoren mit? Indizien für Letzteres stammen aus den sonnendurchfluteten Oberflächengewässern des offenen Ozeans. In dieser, viele hundert Meter über den Methanquellen der Tiefsee gelegenen Zone ist Sonnenenergie in Hülle und Fülle vorhanden; an lebenswichtigen Nährstoffen wie Stickstoff oder Phosphor mangelt es allerdings. Tatsächlich galten die oberflächlichen Wasserschichten der Tropen und Subtropen lange als »ozeanische Wüsten«, bis Wissenschaftler diese Lebensräume Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre genauer in Augenschein nahmen und dabei dort massenhaft herumwimmelnde Mikroben fanden. Wie die erst später entdeckten Mikroorganismen des Grundwassers und der Tiefsee besitzen die an der Meeresoberfläche lebenden Mikroben ein verkleinertes Genom und können im Labor nicht ohne zusätzliche Nährstoffe kultiviert werden – was darauf hinweist, dass auch diese Arten einander zum Überleben brauchen. Während die Sedimentmikroben allerdings in ihren engen Mineralkäfigen festsitzen – eine perfekte Voraussetzung für Gruppenselektion –, treiben die im Oberflächenwasser lebenden Spezies frei umher und werden immer wieder durcheinandergewirbelt. Da somit eine verlässliche Nähe zum Nachbarn fehlt, kann hier die Gruppenselektion nicht greifen. Es müssen also andere Kräfte am Werk sein.

Lästiger Abfall für den einen – wertvolle Ressource für den anderen

Ein einziger Tropfen Oberflächenwasser eines tropischen Meeres enthält etwa eine Million Mikroorganismen. Bei jedem zehnten handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um ein Zyanobakterium namens Prochlorococcus, dem kleinsten und häufigsten fotosynthetisch aktiven Organismus unseres Planeten. Um herauszufinden, wie sich der Stoffwechsel von Prochlorococcus im Lauf der Evolution über viele hundert Millionen Jahre entwickelte, hat sich einer von uns (Braakman) intensiv mit dessen DNA beschäftigt. Wir analysierten die Variationen im metabolischen Netzwerk – also in der Gesamtheit aller biochemischen Reaktionen zur Umwandlung von aufgenommenen Nährstoffen in Zellbausteine – und schufen damit einen genetischen Stammbaum, der die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen diversen Prochlorococcus-Vertretern widerspiegelt. Wie der Vergleich dieses Stammbaums mit den großräumigen vertikalen Licht- und Nährstoffgradienten in den Lebensbereichen der jeweiligen Prochlorococcus-Untergruppen offenbarte, hatte die Evolution jene Zellen herausselektiert, die vermehrt Sonnenenergie absorbieren und die spärlich vorhandenen Nährstoffe am besten aufnehmen können. Die verstärkte Energiegewinnung führte wiederum zu einem Kohlenstoffüberschuss, so dass die Organismen energiereiche, mit organischem Kohlenstoff voll gepackte Moleküle als Abfall entsorgen mussten. Dieser Mechanismus stellte eine Art Auslass des leistungsstarken Staubsaugers Prochlorococcus dar, der die immer knapper werdenden Nährstoffe effizient aufsaugte. Das Zyanobakterium entwickelte sich zu einer zellulären Fabrik, die Sonnenlicht aufnahm und organischen Kohlenstoffabfall ausspuckte.

Jener Abfallstrom erwies sich seinerseits als begehrte Ressource für Mikroben, die nicht dazu in der Lage sind, ihre eigene Nahrungsenergie herzustellen. Zu ihnen zählt etwa Pelagibacter, ein weiterer einzelliger Meeresbewohner, der in tropischen und subtropischen Oberflächengewässern bezeichnenderweise fast genauso häufig vorkommt wie Prochlorococcus. Um die Beziehung zwischen den beiden Mikroorganismen näher zu erforschen, stellten wir auch für Pelagibacter einen metabolischen Stammbaum auf. Dabei zeigte sich, dass sich zwischen beiden Gattungen ein Kooperationskreislauf entwickelt hat: Während Prochlorococcus Kohlenstoffdioxid verbraucht und organische Kohlenstoffverbindungen abgibt, nimmt Pelagibacter die Exkretionsprodukte auf und setzt wiederum andere Moleküle frei, die Prochlorococcus als Energiequelle nutzen kann, sobald das Sonnenlicht fehlt. In dieser Part nerschaft verwerten beide Organismen die Abfallprodukte des anderen und gewinnen dadurch Energie, die sonst ungenutzt bliebe (siehe ≫Der Beginn einer wunderbaren Freundschaft≪, S. 44).

Die 2017 veroffentlichten Ergebnisse beeinflussten masgeblich, wie sich Wissenschaftler die Evolution von Mikrobengemeinschaften in den Oberflachengewassern des Ozeans sowie in weiteren Lebensraumen vorstellen: Als die Mikroorganismen das knappe Nahrungsangebot besser nutzen konnten, verringerten sie die Nahrstoffkonzentrationen immer weiter und diktierten somit die Bedingungen fur alle anderen Organismen. Trittbrettfahrer haben unter diesen Umstanden schlechte Karten, denn wenn sie organischen Kohlenstoff lediglich konsumieren statt selbst herzustellen, sind sie weniger fahig, sich weitere Nahrstoffe wie etwa Stickstoff oder Phosphor zu beschaffen. Die enge Verknupfung zwischen Nahrstoffverbrauch und Abfallproduktion festigte dagegen immer mehr die Verbindung zwischen Prochlorococcus und Pelagibacter. Dieses leistungsfahige Arrangement verdeutlicht, dass der Selektionsdruck kollaborative Interaktionen nicht nur bei eng benachbarten Gruppen nah verwandter Organismen forderte. Zumindest in manchen Fallen konnte die Evolution der Gemeinschaft schlicht aus der auf einzelne Zellen wirkenden Selektion resultieren – als sich selbst verstarkende Ruckkopplungsschleife.

Die Partnerschaft zwischen Prochlorococcus und Pelagibacter mag vielleicht nur aus geringfugigen genetischen Veranderungen entsprungen sein – langfristig wirkte sie sich jedoch erheblich aus. Als die Vorfahren dieser beiden Mikroorganismen vor 600 bis 800 Millionen Jahren die Weltmeere besiedelten, waren die Gewasser noch weitgehend sauerstofffrei, dafur aber sehr eisenhaltig. Das Element Eisen bildet einen essenziellen Bestandteil von Fotosyntheseproteinen, die letztlich Sauerstoff produzieren; allerdings ist Eisen in Gegenwart von Sauerstoff unloslich und kann daher nicht in die entsprechenden Proteine eingebaut werden. Dieses Dilemma sollte fotosynthetische Organismen daran hindern, sich im offenen Ozean auszubreiten, da ihre Sauerstoffproduktion das im Meerwasser geloste Eisen verknappt hatte. Die kohlenstoffreichen Abfallprodukte von Prochlorococcus – angekurbelt durch das Zusammenleben mit Pelagibacter – besasen jedoch die bemerkenswerte Fahigkeit, Eisen zu binden, und steigerten dadurch dessen Verfugbarkeit trotz Anwesenheit von Sauerstoff. Wir vermuten daher, dass Prochlorococcus und Pelagibacter durch die Wechselwirkung zwischen organischen Abfallprodukten und dem kritischen Element Eisen letztlich den Weg fur Fotosynthese und Sauerstoffproduktion in unseren Weltmeeren ebneten. Die Entwicklung des Lebens auf der Erde nahm somit eine vollig neue Richtung.

Günstige Beziehungen sind eher die Ausnahme

Wechselbeziehungen zwischen Mikroorganismen verlaufen jedoch keineswegs immer harmonisch. Einige Wissenschaftler halten stabile, für beide Seiten günstige Beziehungen eher für die Ausnahme. »In dieser Welt da draußen gewinnt der Stärkste«, konstatiert der Biologe John McCutcheon von der University of Montana. »Sogar Beziehungen, die sich vorübergehend als vorteilhaft erweisen, können unter leicht veränderten Umständen in Parasitismus oder Konkurrenz umschlagen.« McCutcheons skeptisches Weltbild rührt zum Teil von seinen wissenschaftlichen Studien her: Er beschäftigt sich mit dem Phänomen der Endosymbiose, bei der einer der beiden Partner im Inneren des anderen lebt. Unsere Zellkraftwerke, die Mitochondrien, waren beispielsweise ursprünglich frei lebende Organismen aus der Gruppe der so genannten Alphaproteobakterien. Endosymbiose führte zu einigen der wichtigsten Durchbrüche in der Geschichte des Lebens; sie brachte die charakteristischen Bestandteile komplexer Zellen hervor und ebnete den Weg für die Evolution von Pflanzen und Tieren. Angesichts dessen »stellt man sich die Endosymbiose gern als ein friedliches Miteinander vor«, warnt McCutcheon, »doch meiner Ansicht nach ist diese Wechselbeziehung eher von Ausbeutung geprägt«. Schließlich stecke die Evolutionsgeschichte voller erfolgloser Versuche zur Endosymbiose, die sich zu räuberischen oder parasitären Beziehungen entwickelt hätten, ergänzt der Biologe.

Wissenschaftler konnten zudem bei Endosymbionten eine recht hohe Fluktuationsrate nachweisen. Wie bei einer Wohngemeinschaft, in der das Zusammenleben mit einem Mitbewohner nicht funktioniert, stoßen die Wirtsorganismen ihre eingeschlossenen Symbionten häufig wieder ab und nehmen neue Untermieter auf – was die zuweilen angespannte Beziehung zwischen den Partnern einer solchen Lebensgemeinschaft verdeutlicht. McCutcheons Forschungsarbeiten bestätigen zwar, dass Wechselwirkungen zwischen Organismen tatsächlich die Evolution vorantrieben – der Forscher mahnt jedoch zur Vorsicht: »Jeder Organismus ist letztlich sich selbst der Nächste, und nicht alle Wechselbeziehungen verlaufen für jeden Beteiligten vorteilhaft.«

Darüber hinaus weisen die komplex verknüpften Mikrobengemeinschaften eine fundamentale Schwachstelle auf: Wird ein Mitglied der Gemeinschaft von einem schweren Schlag getroffen, könnte dies das gesamte Mikrobennetz zusammenbrechen lassen. Theoretisch sollten demnach hochgradig kollaborative Gemeinschaften von metabolisch zusammengeschlossenen Mikroorganismen anfälliger auf Störungen reagieren als Verbünde aus unabhängigen Organismen, bei denen sich jedes Individuum um seine eigenen Angelegenheiten kümmert.

Die Mikrobiologin Ashley Shade von der Michigan State University und ihre Kollegen durchforsteten 378 Studien, die Mikrobiome aus Böden, Meeres- und Süßwasser, bioindustriellen Anlagen sowie aus Tierdärmen untersucht hatten. Die Wissenschaftler fahndeten dabei nach allgemeinen Prinzipien für die Widerstandsfähigkeit biologischer Gemeinschaften gegenüber Störungen sowie für ihre Fähigkeit, wieder in den Ausgangszustand zurückzukehren. In 56 Prozent der Studien ließen sich umfassende Stoffwechselveränderungen nach einer äußeren Störung beobachten; eine im Boden lebende Mikrobengemeinschaft reagierte beispielsweise auf Wärme, indem sie ihren Stickstoffverbrauch vollständig einstellte. Nur zehn Prozent der gestörten Mikroorganismengruppen kehrten zum Ursprungszustand zurück. Trotz dieser, allerdings mit Vorsicht zu interpretierenden Ergebnisse erweist sich unsere Biosphäre als erstaunlich widerstandsfähig und hat sich immer wieder von größeren Störungen erholt – andernfalls gäbe es uns Menschen nicht. Dennoch bleibt unklar, wie solche Regenerationsprozesse ablaufen, wie schnell sie erfolgen und welche langfristigen Veränderungen sie nach sich ziehen.

Nach den bisherigen Erkenntnissen scheinen enge, stoffwechselbezogene Partnerschaften die Evolution beschleunigt und zu einer großflächigen Erschließung neuer Lebensräume geführt zu haben. Wissenschaftler kennen aber erst einen Bruchteil der Wechselbeziehungen jenseits der mikroskopischen Ebene, und es bleiben etliche Fragen offen: Wie viele Arten interagieren effektiv miteinander? Wie verändern sich solche Interaktionen in einer veränderten Umwelt oder in verschiedenen Raum- und Zeitskalen? Ein engmaschiges Geflecht aus kooperierenden Mikroben könnte zur Folge haben, dass sich menschliche Umwelteinflüsse wellenartig über die gesamte Netzstruktur ausbreiten – mit weltweiten, derzeit unvorhersehbaren Konsequenzen. Diese mikrobiellen Verflechtungen sind also von entscheidender Bedeutung, insbesondere angesichts des dramatischen globalen Wandels, den wir zurzeit erleben.

QUELLEN

Braakman, R. et al.: Metabolic evolution and the self-organization of ecosystems. PNAS 114, 2017

Marlow, J. J. et al.: Carbonate-hosted methanotrophy represents an unrecognized methane sink in the deep sea. Nature Communications 5, 5094, 2014

AUF EINEN BLICK: GUTE ZUSAMMENARBEIT

1 Mikrobielle Lebensgemeinschaften prägten entscheidend die Biosphäre unseres Planeten. Dabei galt lange die Ansicht, dass hierbei ein Konkurrenzkampf um lebenswichtige Ressourcen vorherrscht.

2 Marine Mikroben zeichnen sich jedoch durch eine erstaunliche Kooperationsfähigkeit aus, indem sie zusammen Stoffwechselwege erschließen, die ihnen allein unzugänglich blieben.

3 Demnach könnte Teamfähigkeit statt Wettstreit im Zentrum des Lebens auf der Erde stehen.

Kurz erklärt

Archaea (von griechisch archaĩos = alt, ursprünglich) sind einzellige Mikroorganismen ohne Zellkern, die nicht mit den Bakterien verwandt sind und daher als eigenständige Domäne des Lebens gelten. Unter ihnen gibt es welche, die ohne molekularen Sauerstoff – also anaerob – Methan (CH4) als Kohlenstoffquelle nutzen und es dabei oxidieren. Sie werden Methanotrophe (von griechisch trophē = Ernährung) genannt.

Damit der Prozess ablaufen kann, müssen die bei der Methanoxidation frei werdenden Elektronen auf einen Elektronenakzeptor übertragen werden. Das können Sulfat reduzierende Bakterien bewerkstelligen, indem sie zur Energiegewinnung Sulfat (SO4 2-) chemisch zu Sulfid (S2-) reduzieren. Man spricht hier auch von Sulfatatmung. Das Sulfid-Anion S2-reagiert im Wasser zum Hydrogensulfid-Anion (HS-) und tritt schließlich als gasförmiger, übelriechender Schwefelwasserstoff (H2S) aus.

Zur Domäne der Bakterien gehören die Zyanobakterien, die wie höhere Pflanzen Foto- synthese betreiben und dabei Sauerstoff produzieren. Auf Grund ihrer blaugrünen Färbung (griechisch kyanós = blau) wurden sie früher als »Blaualgen« bezeichnet, sind aber mit Algen nicht verwandt.

Das Geheimnis der fehlenden Moleküle

In den Sediment- und Gesteinsschichten unter dem Meeresboden verschwinden Methan- und Sulfatmolekule auf zunachst ungeklarte Weise. Lange hegten Wissenschaftler den Verdacht, dass eine Mikrobe fur dieses Phanomen verantwortlich sei. Doch niemand konnte eine einzelne Art nachweisen, die in der Lage ware, sowohl Methan als auch Sulfat zu verzehren. Schlieslich konnten die Forscher zwei miteinander kooperierende Mikroben als Tater uberfuhren.

TAMI TOLPA, NACH BOETIUS, A. ET AL.: A MARINE MICROBIAL CONSORTIUM APPARENTLY MEDIATING ANAEROBIC OXIDATION OF METHANE. NATURE 407, 2000; NACH MCGLYNN, S.E. ET AL.: SINGLE CELL ACTIVITY REVEALS DIRECT ELECTRON TRANSFER IN METHANOTROPHIC CONSORTIA. NATURE 526, 2015; NACH PECKMANN, J. ET AL.: METHANE-DERIVED CARBONATES AND AUTHIGENIC PYRITE FROM THE NORTHWESTERN BLACK SEA. MARINE GEOLOGY 177, 2001 / SCIENTIFIC AMERICAN NOVEMBER 2018

Der Beginn einer wunderbaren Freundschaft

Vor etlichen hundert Millionen Jahren schlossen sich zwei der heute am haufigsten vorkommenden Meeresbewohner – die Mikroorganismen Prochlorococcus und Pelagibacter – zur gegenseitigen Verwertung ihrer Abfallprodukte zusammen. Diese Kooperation schuf wahrscheinlich die Voraussetzungen fur eine Sauerstoffanreicherung in den Weltmeeren – und veranderte damit grundlegend das Leben auf der Erde.

TAMI TOLPA / SCIENTIFIC AMERICAN NOVEMBER 2018