AUS DEM SPIEGEL
Ausgabe 16/2017

Wunder-Mikroben im Meer Die Weltverbesserer

Prochlorococcus - eines der kleinsten Geschöpfe der Erde hat einen fast unaussprechlichen Namen und lebt fast allein von Licht. Das Wunderbakterium hatte einen größeren Einfluss auf das irdische Ökosystem als jedes andere Lebewesen.

Mikrobiologin Penny Chisholm
Ken Richardson

Mikrobiologin Penny Chisholm

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Damit sich die Mikroben im Labor von Penny Chisholm wohlfühlen, ordert die Forscherin eigens Wasser aus der Sargassosee. "Das mögen sie am liebsten", sagt sie.

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Heft 16/2017
Demnächst für alle! Wie der Mensch den Tod besiegen will

Niemand kennt den kleinen Meeresorganismus namens Prochlorococcus so gut wie Chisholm. Alles in den Kulturkammern ihres Labors am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist darauf ausgerichtet, es dieser Mikrobe bequem zu machen. Die Temperatur halten die Forscher auf subtropischen 23 Grad konstant; mit feinen Drahtnetzen kontrollieren sie, wie viel Licht in die Teströhrchen fällt.

Der Aufwand hat seinen Grund. Denn Prochlorococcus, ein sogenanntes Cyanobakterium, zählt nicht zu den gewöhnlichen seiner Art. Zu klein, als dass es unter dem Lichtmikroskop zu sehen wäre, ist es ein Minimalwesen, das nur das Nötigste zum Leben besitzt, und zugleich ein Hungerkünstler, der von fast nichts als Licht zu existieren vermag.

Vor allem aber: Wohl kein anderes Lebewesen hat einen so großen Einfluss auf das Ökosystem Erde.

Gerade hat Chisholms Mitarbeiter Rogier Braakman Forschungsergebnisse veröffentlicht, denen zufolge der biologische Reichtum der Meere maßgeblich auf dieser Mikrobe beruht. "Prochlorococcus hat seine Umwelt, den Ozean, maßgeblich mitgestaltet", sagt er.

So winzig und so unscheinbar ist dieses Bakterium, dass es lange Zeit unbemerkt blieb. Erst im Jahr 1988 analysierte Chisholm Ozeanwasser mithilfe eines sogenannten Durchflusszytometers und stellte fest, dass darin Fotosynthese betreibende Einzeller wimmelten. Ob vor Hawaii, Galápagos oder Bermuda - wo immer zwischen dem 40. Grad nördlicher und südlicher Breite sie fortan nach ihnen suchte, fand sie die Winzlinge im Wasser - in jedem Milliliter schwammen durchschnittlich 100.000 von ihnen.

Prochlorococcus beherrscht selbst jene ausgedehnten Meeresregionen, die bis dahin als weitgehend unbelebte Ödnis galten. Fernab der Küsten, so hatten die Forscher gedacht, sei der Ozean zu nährstoffarm, als dass Leben gut darin gedeihen könnte. Chisholms Entdeckung änderte das radikal: Es war, als hätte sich die Wüste als Grasland erwiesen.

Inzwischen weiß man, dass Prochlorococcus so weit verbreitet ist wie kein anderer fotosynthetisierender Organismus. Die Gesamtzahl dieser Einzeller wird auf 3.000.000.000.000.000.000.000.000.000 geschätzt - drei Quadrilliarden. Rund fünf Prozent allen Sauerstoffs, den wir atmen, wurde von ihnen erzeugt.

Es dauerte, bis es Chisholm und ihren Mitarbeitern am MIT gelang, die heimlichen Regenten der Meere auch im Labor zu züchten. Inzwischen gedeihen ihre grünlich schimmernden Prochlorococcus-Kulturen. Chisholm hat studiert, wie sie sich ernähren, vermehren und woran sie sterben. Und sie hat das Erbgut Dutzender Stämme entziffern lassen. Fast immer erlebte sie dabei Überraschungen.

Jeder Typ von Prochlorococcus, so scheint es, ist gewappnet, mit einer anderen Art von Notlage fertig zu werden. Einige sind darauf spezialisiert, das trübe Dämmerlicht in 150 Meter Tiefe auszunutzen, andere sind Meister in der Minimierung ihres Phosphorbedarfs, oder sie gedeihen auch bei akutem Eisenmangel. Gemein ist ihnen allen die Fähigkeit zu darben: Prochlorococcus ist ein Meister im Haushalten mit knappen Ressourcen.

Insofern zählt diese Mikrobe zu den Extremformen des Lebens, nur dass sie sich nicht, wie andere Extremisten, in entlegene Winkel, etwa Schwefelquellen, Salz- oder Asphaltseen, zurückgezogen hat. Die Nische von Prochlorococcus ist die unermessliche Weite des Ozeans.

Chisholms Mitarbeiter Braakman hat sich nun den Stammbaum dieser Mikroben genauer angesehen und ihm eine faszinierende Geschichte entlockt - eine Geschichte, die nicht nur vom Werdegang dieser Bakterien erzählt, sondern auch davon, wie sie den Planeten veränderten.

Luke Thompson / Chisholm Lab And Nikki Watson / Whitehead / MIT

Vor gut 500 Millionen Jahren entstanden die Urahnen, die das Geschlecht von Prochlorococcus begründeten. Durch Vergleich der heute lebenden Stämme konnte Braakman nachvollziehen, wie diese Bakterien die Ozeane erobert und dabei ihre asketische Lebensweise über Jahrmillionen hin perfektioniert haben. Ihr Erbgut schrumpfte auf ein Mindestmaß zusammen. Alles in der molekularen Maschinerie war nun nur noch einem Ziel gewidmet: möglichst viel Licht zu ernten, unter Verwendung von möglichst geringen Nährstoffmengen.

In der Folge steigerten die Heerscharen von Prochlorococcus ihren Energieumsatz immer weiter und wandelten dabei immer größere Mengen von Kohlendioxid in organische Materie um, die dann in tiefere Wasserschichten hinabregnete. Die Winzlinge im Oberflächenwasser kurbelten so die Produktivität der Ozeane an, so konnte die Biomasse wachsen und das immer komplexere Ökosystem der Weltmeere nähren.

Braakman glaubt, dass die evolutionäre Bedeutung von Prochlorococcus sogar noch weiter geht: Die Meeresmikrobe habe möglicherweise die wohl spektakulärste Entwicklung in der Geschichte tierischen Lebens in Gang gesetzt.

Vor rund 540 Millionen Jahren explodierte binnen eines erdgeschichtlichen Augenblicks die Formenvielfalt der Meeresbewohner. Während zuvor wenig mobile Weichkörpertiere dominierten, tauchten nun unvermittelt Kreaturen mit Beinen, Augen, Zähnen, Stacheln und Kiemen auf. All das geschah ungefähr zu der Zeit, als Prochlorococcus und seine Verwandtschaft in den Meeren zu blühen begannen. Braakman mag das nicht für einen Zufall halten.

Seiner Theorie zufolge wurde das evolutionäre Feuerwerk von dem Sauerstoff entfacht, der von den Winzlingen der Meere gebildet wurde. Zwar seien diese nicht die Ersten gewesen, die Sauerstoff durch Fotosynthese herstellen konnten. Doch habe sich dieses Gas nie in größeren Mengen in der Atmosphäre anreichern können, weil die fotosynthetisierenden Bakterien sich selbst eines Stoffes beraubten, den sie zum Leben brauchten: Eisen.

Bis zur Ankunft von Prochlorococcus, sagt Braakman, sei die Flora der Meere in einer Art Teufelskreis gefangen gewesen. Denn die Fotosynthese funktioniert nur, wenn Eisen im Wasser vorhanden ist. Sobald aber der Sauerstoffgehalt einen gewissen Schwellenwert überschritten hatte, reagierte dieser mit dem im Ozean gelösten Eisen und ließ es als eine Art Rost auf den Meeresboden rieseln. Die Fotosynthese kam zum Stillstand.

Prochlorococcus änderte das: Sein Turbostoffwechsel brachte genug organische Moleküle hervor, um das Eisen zu binden und so fürs Leben weiterhin verfügbar zu halten. Das Gas, das für die Explosion tierischer Vielfalt notwendig war, konnte sich so in Luft und Wasser anreichern.

Als Nächstes will MIT-Biologin Chisholm das Zusammenspiel von Prochlorococcus mit den anderen Mikroben der Meere genauer untersuchen. Das, sagt sie, sei entscheidend, um die ökologischen Rollen ganz zu verstehen. Vor allem zu einem Bakterium namens SAR11 scheint Prochlorococcus ein inniges Verhältnis zu pflegen.

Das zeigt sich auch bei den züchterischen Bemühungen im Labor. Lange Zeit hielt Chisholm nur Monokulturen in ihren Brutschränken. Jetzt zeigt sich zunehmend, dass Prochlorococcus in Gegenwart von SAR11 viel besser gedeiht: "Wirklich wohl fühlen sie sich nur miteinander", sagt Chisholm.

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Melba 22.04.2017
1. Kleine Wunder
Ich wünsche mir so sehr, dass wir als Gesellschaft die Wunder des Meeres begreifen und den Lebensraum respektieren. Aber ganz ehrlich: Solange der Busen eines Starlets größere Aufnerksamkeit erregt, als die kleinen grünen Weltbeweger werden solche Entdeckungen untergehen, schade.
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