Besiedlung schwarzer Raucher

Leben an der oberen Temperaturgrenze

Mikrobiologen der Universität Regensburg untersuchen die Besiedlung schwarzer Raucher. Schwarze Raucher sind Kamine, durch die superheißes Wasser austritt. Sie kommen in der Tiefsee an Stellen vulkanischer Aktivität vor. Wissenschaftler um Prof. Dr. Reinhard Wirth vom Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie der Universität Regensburg haben sich in den letzten 15 Jahren mit der Besiedlung dieser Kamine durch Mikroorganismen und somit mit Fragen nach dem Leben unter heißen Bedingungen beschäftigt. Erstmals konnten die Forscher nun durch die Simulation mithilfe eines an der Universität Regensburg entwickelten Geräts die Besiedlung der heißen Mineralien zeigen.

Sieben rundliche Zellen des Archaeums Pyrococcus furiosus heften an authentisches Martial eines schwarzen Rauchers (gesammelt in 2 500 m Tiefe vor Mexiko) mittels ihrer Flagellen an. Diese fadenförmigen Zellanhänge bevorzugen hierfür Spalten der Mineralien. (Bild: Universität Regensburg, Reinhard Wirth)

Erstmals wurden Schwarze Raucher 1978 als Kamine, durch die superheißes Wasser austritt, beschrieben. Sie kommen in der Tiefsee an Stellen vulkanischer Aktivität vor, also insbesondere an Grenzen tektonischer Platten. Ihre Temperatur kann auf der Außenseite 100 °C erreichen, im Inneren beträgt sie über 300 °C. Schwarze Raucher sind zumindest in doppelter Hinsicht ein „hot spot“ für das Leben auf unserer Erde: Zum einen gibt es Hinweise darauf, dass sich vor über 3,5 Milliarden Jahren Leben auf bzw. in ihnen entwickelt haben könnte. Zum anderen stellen sie eine Umgebung dar, die aufgrund der herrschenden Temperaturen die Möglichkeiten zum Überleben beschränkt.

Anpassung an hohe Temperaturen
Die Temperatur-Obergrenze für das Leben (wohl um 115 °C) wird von hyperthermophilen Archaeen gehalten, Mikroorganismen, die seit 1980 in Regensburg erforscht werden. Diese Mikroorganismen bilden die Grundlage für ein einzigartiges, extrem dicht besiedeltes Ökosystem in der Tiefsee. Das Leben in diesen Bereichen ohne Licht kann nur auf ihren Stoffwechselvorgängen beruhen. Wie aber werden die schwarzen Raucher, die bei ihrer Entstehung wegen der herrschenden Temperaturen ja steril sein müssen, von Mikroorganismen besiedelt? Wissenschaftler aus der Gruppe von Prof. Dr. Reinhard Wirth an der Universität Regensburg haben in den letzten 15 Jahren Daten erhalten, die dies erklären können. „Es war bereits bekannt, dass die hyperthermophilen Mikroorganismen über Jahre im kalten Tiefseewasser in einer Art Kältestarre überleben können. Wir haben gezeigt, dass sie – selbst nach einjähriger Lagerung bei 4 °C – innerhalb von weniger als drei Sekunden auf hohe Temperaturen mit aktivem Schwimmen reagieren. Sie können sich dabei extrem schnell bewegen und entfernen sich bei zu hohen Temperaturen von entsprechenden Regionen“ erklärt Prof. Wirth. „Den letzten Puzzlestein haben wir nun einfügen können: Es handelt sich um die Frage, wie die Archaeen mit authentischem Material von schwarzen Rauchern interagieren“.

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Erstmals wurde nun die Besiedlung der heißen Mineralien gezeigt. Dies geschah durch eine Kombination von lichtmikroskopischen Videoaufnahmen unter authentischen Bedingungen mit elektronenmikroskopischen Untersuchungen. Die hierfür erforderliche Temperatur von 100 °C und die Anaerobiose wurden mithilfe eines an der Universität Regensburg neu entwickelten Geräts simuliert. „Die Mikroorganismen stoßen beim durch Hitze induzierten Schwimmen zufällig auf die Oberflächen der Mineralien von schwarzen Rauchern, scannen diese zunächst ab und heften sich dann schnell daran fest. Es wird nicht jede Oberfläche gleich gut besiedelt – deshalb wohl die ca. 15 Sekunden lange Scan-Phase. Für die Anheftung werden die Flagellen verwendet, welche die Mikroorganismen auch für das Schwimmen benutzen“. Diese und die früher erhaltenen Daten zeigen also auf, wie gut sich die hyperthermophilen Archaeen auf das Erkennen ihrer heißen Umgebung und das Leben darin eingestellt haben.

Veröffentlichung:
Frontiers in Microbiology 9:524 (doi: 10.3389/fmicb.2018.00524)

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