Symbiotische Bakterien ersetzten den Meereswurm durch Verdauungsorgane und Ausscheidungsorgane • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Genetik

Bakterien Symbionten ersetzt die Meerwürmer Verdauungsorgane und Ausscheidung

Einzigartiger Meereswurm Olavius ​​algarvensisseine Versorgung und Entsorgung von Abfällen an symbiotische Bakterien anvertrauen (Foto von www.mpi-bremen.de)

Meereswurm Olavius ​​algarvensis Es hat weder Verdauungs- noch Ausscheidungssysteme. Wie sich herausstellte, leben Symbionten unter seinen äußeren Hüllen – vier Arten von Bakterien. Sie versorgen nicht nur den Wurm und einander mit allem, was sie brauchen, sondern entsorgen auch die Abfallprodukte des Wurms, so dass er auf das Ausscheidungssystem verzichten kann. Ein einzigartiger Superorganismus, der von fünf Arten von Lebewesen gebildet wird, kann dank eines komplexen Systems biochemischer Kooperation in Bedingungen leben, in denen keine seiner Komponenten allein überleben würde.

Einst galt Symbiose als relativ seltenes Phänomen – eher eine Kuriosität als eine Regel. Die Entdeckung der symbiotischen Natur der Flechten in den 70er Jahren des 19. Jahrhunderts hat die Wissenschaftler völlig überrascht (es ist unnötig zu sagen, welche Macken es bei Mutter Natur gibt!). Seitdem hat sich viel verändert. Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts gingen bestimmte herausragende Denker davon aus, dass Symbiose und Kooperation eine große Rolle bei der Entwicklung des Lebens auf der Erde spielen könnten. Obwohl der "organismuszentrierte" Ansatz in der Biologie immer noch vorherrscht, verstehen Wissenschaftler heute eindeutig, dass ein wirklich "autonomer Organismus"gebildet und ohne jegliche Beteiligung von Symbionten gelebt, ist es immer noch notwendig, in der Natur zu suchen. Die meisten Lebewesen, die den Planeten bewohnen, sind tatsächlich "Superorganismen" – komplizierte symbiotische Komplexe.

Der Mensch ist keine Ausnahme. Jede unserer Zellen erhält die Energie, die sie benötigt, aus Mitochondrien, den Nachkommen symbiotischer Bakterien. Wir haben viele unserer Gene von Viren, allerlei "egoistischen" DNA-Fragmenten und mobilen genetischen Elementen wie Transposons erhalten (siehe Antike Säugetiere, die mit der Plazenta infiziert sind, Elements, 15. Dezember 2005). Introns – nicht codierende Inserts, die in den meisten unserer Gene vorkommen und ihre Aktivität beeinflussen, sind wahrscheinlich auch Nachkommen von mobilen Elementen, die von unseren Vorfahren "gezähmt" wurden. Unser Stoffwechsel wird weitgehend durch die zahlreichen Mikroben bestimmt, aus denen die Darmflora besteht. Und selbst wenn man in diese Mikroben hineinschaut, findet man dort gewöhnliche Mitglieder von Symbionten (Plasmide, Phagen, Transposons).

Wenn sich eine symbiotische Beziehung entwickelt, kann ein Symbiont vollständig seine Unabhängigkeit verlieren und ein integraler Bestandteil seines Besitzers werden (allerdings muss er zugegeben werden)Gleichzeitig verliert der Eigentümer seine Unabhängigkeit und hört auf, ein "autonomer Organismus" zu sein.

Ein weiterer großer Durchbruch in der Erforschung natürlicher symbiotischer Komplexe ist heute im Zusammenhang mit der Entwicklung der Methode der "Metagenomanalyse" aufgetaucht. Das Wesen der Methode besteht in der vollständigen Isolierung aller gefangenen DNA-Moleküle von der Probe (zum Beispiel aus den Geweben eines Tieres oder aus dem Inhalt des Darms). Die DNA wird sequenziert (Nukleotidsequenzen werden bestimmt) und aus diesen Sequenzen bestimmen sie, welche Kreaturen in der Probe vorhanden sind. Ein wichtiger Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er den Nachweis und die Charakterisierung von Mikroben ermöglicht, die im Labor nicht kultiviert werden können (und die meisten dieser Mikroben sind). Genetische Datenbanken sind heute bereits ausreichend repräsentativ, so dass durch eine Reihe von aus einer Probe isolierten Genen bestimmt werden kann, welche Organismen in der Probe vorhanden sind, auch wenn diese Organismen der Wissenschaft noch nicht bekannt waren. Wenn man die gefundenen Gene mit bekannten vergleicht, kann man nicht nur herausfinden, wer diese Kreaturen sind, sondern auch, wie sie leben und was sie atmen.

Die Elemente schrieben bereits über die Ergebnisse einer Metagenomanalyse des Inhalts des menschlichen Darms (vglDarmflora macht aus einem Menschen einen Superorganismus, "Elements", 9.06.2006. Noch sensationellere Ergebnisse wurden kürzlich auf der Website des Magazins veröffentlicht Natur eine große Gruppe von Wissenschaftlern aus den USA und Deutschland, die möglicherweise mit Hilfe der Metagenomanalyse das bisher überraschendste Symbiose-System aller Zeiten entdecken und "entschlüsseln" konnten.

Das Objekt war ein kleinhalsiger Wurm. Olavius ​​algarvensisWohnen im Mittelmeer. Dieser Wurm ist vor allem deshalb interessant, weil er weder Mund, noch Därme, noch Anus noch Nephridien – Ausscheidungsorgane – hat. Einige andere Meereswürmer lernten auch, wie man ohne die Verdauungsorgane auskommt: Zum Beispiel verwandelten sich die Eingeweide von Pogonophoren in Schnüre, die mit symbiotischen Bakterien gefüllt sind, die Schwefelwasserstoff oder Methan oxidieren (siehe. Tiefseewürmer werden mit guten Bakterien infiziert, Elements, 23.05.2006). Daher könnte dies erwartet werden Olavius ​​algarvensis Die Abwesenheit von Darm wird durch die Anwesenheit einiger symbiotischer Mikroben kompensiert, die ihren Wirt mit Nahrung versorgen, im Austausch für ein sorgloses Leben in einem fremden Körper. Die Reduktion des Ausscheidungssystems ist jedoch ein beispielloses Phänomen für die Ringelwürmer.Haben es die symbiotischen Mikroben geschafft, den Wurm nicht nur durch die Verdauungsorgane, sondern auch durch die Ausscheidungsorgane zu ersetzen? Natürlich hat dieser Fall eine genaue Untersuchung verdient.

Die Metagenomanalyse ergab, dass im Wurmkörper vier Arten symbiotischer Bakterien vorkommen, von denen zwei zur Gruppe der Gamma-Proteobakterien gehören und die anderen beiden zu den Delta-Proteobakterien gehören. Beide Gamma-Proteobakterien, deren Genom fast vollständig rekonstruiert wurde, sind Autotrophe, dh sie synthetisieren organische Substanzen aus Kohlendioxid. Die hierfür benötigte Energie wird durch Oxidation von Sulfid (S2-). Sauerstoff wird als Oxidationsmittel verwendet, und in Abwesenheit von Sauerstoff – Nitrate (siehe. Wenn es keinen Sauerstoff gibt, können Sie Nitrate, "Elemente", 12.09.2006) einatmen. Wenn kein Nitrat vorhanden ist, können einige organische Substanzen als Oxidationsmittel dienen. Als Endprodukte der lebenswichtigen Aktivität sezernieren diese Bakterien oxidierte Schwefelverbindungen (zum Beispiel Sulfate).

Delta-Proteobakterien erwiesen sich ebenfalls als autotrophe, jedoch von anderer Art, nämlich als Sulfat-Reduktionsmittel. Sie gewinnen Energie, indem sie Sulfat (oder andere oxidierte Schwefelverbindungen) zu Sulfid reduzieren.Daher stellte sich heraus, dass der Metabolismus von Gamma-und Delta-Proteobakterien-Symbionten komplementär ist: Die Verschwendung der ersten dient als Nahrung für die zweite und umgekehrt.

Symbiotische Delta-Proteobakterien können molekularen Wasserstoff als Reduktionsmittel verwenden (ein Elektronendonor, der für die Sulfat-Reduktion benötigt wird). In ihren Genomen gibt es Gene von Enzymen – Hydrogenasen, die für die Arbeit mit molekularem Wasserstoff notwendig sind. Es ist möglich (obwohl es nicht möglich war, dies mit Sicherheit zu beweisen), dass gamma-Proteobakterien-Symbionten eine gewisse Menge an H produzieren2 Im Laufe ihres Lebens liefern die Delta-Proteobakterien somit nicht nur oxidierte Schwefelverbindungen, sondern auch ein Reduktionsmittel.

Bakterielle Symbionten leben nicht in den Tiefen von Geweben, sondern direkt unter der äußeren Hülle (Kutikula) des Wurms. Hier führen sie ihr seltsames mikrobielles Leben und tauschen die Stoffwechselprodukte miteinander aus. Alles andere, was ihnen fehlt, bekommen sie von der Umwelt – im Grunde sind es Substanzen, die aus dem Meerwasser unter der Kutikula des Besitzers durchsickern. Mikroben vermehren sich, und die Epithelzellen des Wurms schlucken sie langsam und verdauen sie.Diese Nahrungsquelle ist offensichtlich genug für den Wurm, um Beschwerden aufgrund des Fehlens von Mund und Darm zu vermeiden.

Aber wie kommt ein Wurm ohne Ausscheidungssystem aus? Es stellte sich heraus, dass Gene von Bakterien-Symbionten Gene von Proteinen enthalten, die die Absorption und Verwertung von Harnstoff, Ammonium und anderen "Abfällen" des Wurms sicherstellen. Diese Substanzen dienen Bakterien als wertvolle Stickstoffquelle.

Offensichtlich ist der Wirtswurm vollständig von seinen Symbionten abhängig und kann ohne sie nicht leben. Können Bakterien auf einen Wurm verzichten? Nach der Struktur ihrer Genome zu urteilen, ist es sehr wahrscheinlich. Die Genome von Bakterien, die sich vollständig in einen parasitischen oder symbiotischen Lebensstil verlagert haben, werden in der Regel vereinfacht. Insbesondere verschwinden die Gene, die für die Synthese bestimmter Substanzen (zum Beispiel Aminosäuren) notwendig sind, die vom Wirt ausgeliehen werden können, oder sie brechen in ihnen ab. Nichts dergleichen wird in Wurm-Symbionten beobachtet. Olavius ​​algarvensis.

Der Hauptvorteil, den Bakterien durch das Leben mit einem Wurm haben, ist vielleicht, dass sie mobil ist und sich, wenn nötig, dorthin kriechen lässt, wo die Umweltbedingungen für das ganze ehrliche Unternehmen am günstigsten sind.In den oberen Schichten des Sediments, in denen wenig Sauerstoff, aber keine Sulfide vorhanden sind, können Gamma-Proteobakterien die Sulfide, die sie benötigen, von ihren Mitbewohnern, Delta-Proteobakterien, erhalten. In diesem Fall wird das Sulfid durch Sauerstoff oxidiert – das energetischste und profitabelste Oxidationsmittel. In großen Mengen ist Sauerstoff jedoch schädlich für Sulfat-Reduktionsmittel – Delta-Proteobakterien.

Wenn das Wurm tiefer grub, fällt es in Schichten, in denen überhaupt kein Sauerstoff vorhanden ist. Hier werden Gamma-Proteobakterien Nitrate als Oxidationsmittel verwenden, was etwas weniger vorteilhaft ist, aber sie werden viel Sulfid aufweisen, da Sauerstoff die Aktivität von Delta-Proteobakterien nicht länger inhibieren wird.

Schließlich können Gamma-Proteobakterien in noch tieferen Schichten des Sediments, wo nicht nur Sauerstoff, sondern auch Nitrate vorhanden sind, einige organische Substanzen als Oxidationsmittel verwenden, einschließlich Trimethylamin-N-Oxid (vom Wurm-Wirt sezerniert) und Fumarat (produziert von -Proteobakterien). Zur gleichen Zeit wird Schwefel (als ein Produkt der unvollständigen Oxidation von Sulfid) in den Zellen einer der zwei Arten von Gamma-Proteobakterien gespeichert, die später oxidiert werden können, wenn der Wurm höher kriecht und stärkere Oxidationsmittel verfügbar werden.Das Succinat, das von Gamma-Proteobakterien während der Fumarat-Atmung abgesondert wird, wird von Delta-Proteobakterien leicht genutzt, und so weiter: Die Forscher haben eine Reihe von möglichen Mechanismen der biochemischen Kooperation innerhalb dieses erstaunlichen symbiotischen Komplexes identifiziert.

So wurden die fünf Arten von Lebewesen, vereint, zu einem universellen "Superorganismus", der in der Lage ist, in einer Vielzahl von Bedingungen zu leben – einschließlich, wo keine seiner "Komponenten" allein überlebt hätte.

Quelle: Woykeet al. Symbiose Einblicke durch mikrobielles Konsortium Natur. 17. September 2006. Fortgeschrittene Online-Publikation (doi: 10.1038 / nature05192).

Siehe auch:
Symbiose und kooperative Prozesse in der Evolution.

Alexander Markow


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