Kleine Bakterien lassen große Dinge im Meer wachsen

Rund 71 Prozent der Erdoberfläche besteht aus salzigen Ozeanen - das sind 98 Prozent des Wassers. Die Ökosysteme, die unter ihrer Oberfläche vorhanden sind, sind vielfältig und lebendig. Ihre schiere Größe bedeutet jedoch, dass es noch viel zu entdecken gibt. Und genau damit h...

Rund 71 Prozent der Erdoberfläche besteht aus salzigen Ozeanen - das sind 98 Prozent des Wassers. Die Ökosysteme, die unter ihrer Oberfläche vorhanden sind, sind vielfältig und lebendig. Ihre schiere Größe bedeutet jedoch, dass es noch viel zu entdecken gibt. Und genau damit hat sich ein internationales Team aus Wissenschaftlern aus Europa und den Vereinigten Staaten beschäftigt. Ihre neue Entdeckung - eine Symbiose zwischen winzigen einzelligen Algen und hoch spezialisierten Bakterien im Meer - wird den Wissenschaftlern helfen, Ozeane und die wichtige Rolle, die sie in unserem Leben spielen, besser zu verstehen.

Die Wissenschaftler entdeckten die wichtige Rolle einzelliger Algen und stickstofffixierender Bakterien bei der Düngung der Ozeane, indem Stickstoff aus der Atmosphäre aufgenommen und in eine Form umgewandelt wird, die für andere Organismen nutzbar ist. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Fachblatt Science. Ihre Entdeckungen stammen aus früheren Forschungen, als Forscher eine merkwürdige Mikrobe genauer untersuchten, die Stickstoff fixieren kann, jedoch nur ein stark verkleinertes Genom aufwies.

Entdeckt hat sie John Zehr 1998, Meeresforscher von der Universität von Kalifornien, Santa Cruz (UCSC). Dieses Bakterium gehört mit zu den am weitesten verbreiteten Stickstofffixierern, den photosynthetisch aktiven Cyanobakterien der Ozeane. Allerdings fehlen dieser Spezies die Gene für die Photosynthese. Es scheint, dass durch seine Symbiose mit Algen, diese Photosynthesegene nicht nötig sind.

"Das Cyanobakterium sorgt für die lebensnotwendigen Stickstoffverbindungen, die Wirtszelle für den essenziellen Kohlenstoff", erläutert Anne Thompson, Leitautorin und Forscherin am UCSC.

Matt Kane, Programm-Direktor an der Abteilung für Umweltbiologie der National Science Foundation (NSF), die die Forschung gemeinsam mit der Abteilung für Meereswissenschaft der NSF finanziert hat, glaubt, dass eine Symbiose zwischen zwei Arten von Mikroorganismen entdeckt wurde, die bis jetzt unbekannt war.

"Aus der Genomanalyse geht hervor, dass die Partnerschaft zwischen diesen Organismen in mancher Hinsicht jene modelliert, die zur Entwicklung der Pflanzenorganellen geführt hat", so Dr. Kane

Aus evolutionärer Perspektive sei dies ist eine interessante Symbiose, so Professor Zehr, "weil es analog zu einem frühen Stadium der Endosymbiose betrachtet werden kann, die zu den Chloroplasten in Pflanzen geführt hat."

Chloroplasten - Organellen, die Lichtenergie einfangen und in den bei allen Pflanzen die Photosynthese erfolgt - entwickelten sich aus symbiotischen Cyanobakterien, die schließlich in einem als Endosymbiose bekannten Prozess in die Wirtszellen integriert wurden.

In früheren Arbeiten hatte das Team um Professor Zehr Cyanobakterien in Proben studiert, die auf See verarbeitet und ins Labor zurückgebracht wurden. Die Forscher konnten das komplette Genom des Bakteriums sequenzieren. Sie entdeckten, dass ihm die Gene für mehrere wichtige Stoffwechselwege fehlten, was darauf hindeutet, dass es vielleicht in Verbindung mit einem anderen Organismus lebt.

Die Wissenschaftler konnten die symbiotischen Partner nur dann sehen, wenn sie frisch gesammelte Meerwasserproben direkt an Bord des Forschungsschiffes sortierten.

"Unsere Mitarbeiter an der Universität Hawaii, Dave Karl und Ken Doggett, bauten einen Zellsortierer in ein tragbares Labor ein - ein Taschenlabor - nun können wir das Gerät aufs Meer mitnehmen und Zellen sortieren, die sich wenige Augenblicke vorher noch in ihrer natürlichen Umgebung befanden", so Thompson. "So haben wir den Zusammenhang herausgefunden."

Professor Zehr wies darauf hin, dass es schwierig ist, den Beitrag dieser Symbiose zum globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf einzuschätzen. Andere Algen seien reichlicher vorhanden und könnten in Bezug auf den Kohlenstoffkreislauf des Ozeans wichtiger sein als Algenwirte in dieser Symbiose, sagt er. Aber es ist wahrscheinlich, dass die Cyanobakterienpartner einen wichtigen Beitrag zur globalen Stickstofffixierung in den Ozeanen leisten.

"Plantonische Symbiosen sind sehr schwierig zu untersuchen", sagt Rachel Foster vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, die andere Leitautorin. "Sie sind sehr zerbrechlich. In unserer Studie gelang es uns, zum ersten Mal eine wechselseitige Partnerschaft im Plankton nachzuweisen."Weitere Informationen finden Sie unter: Max-Planck-Gesellschaft http://www.mpg.de Gordon and Betty Moore Foundation http://www.moore.org/

Länder

Vereinigte Staaten