Cyanobakterien kombinieren in einer Zelle Photosynthese und Fixierung von atmosphärischem Stickstoff • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Biowissenschaften

Cyanobakterien kombinieren in einer Zelle Photosynthese und Fixierung von atmosphärischem Stickstoff.

Cyanobakterien Synechococcus im Prozess der Teilung. Diese Mikrobe photosynthesis tagsüber und fängt atmosphärischen Stickstoff nachts ein (Foto von www.lbl.gov)

Cyanobakterien – die Erfinder der oxygenen Photosynthese und Schöpfer der Sauerstoffatmosphäre der Erde – erwiesen sich als noch vielseitiger als bisher angenommene "biochemische Fabriken". Es stellte sich heraus, dass sie Photosynthese und Fixierung von Luftstickstoff in derselben Zelle kombinieren können – Prozesse, die zuvor als inkompatibel galten.

Cyanobakterien, oder wie sie früher genannt wurden, Blaualgen, spielten eine Schlüsselrolle in der Evolution der Biosphäre. Sie erfanden die effektivste Art der Photosynthese – die Photosynthese unter Sauerstoffzufuhr. Die ältere anoxygene Photosynthese, die unter Freisetzung von Schwefel oder Sulfaten stattfindet, kann nur in Gegenwart reduzierter Schwefelverbindungen (wie Schwefelwasserstoff) auftreten – Substanzen, die ziemlich knapp sind. Daher konnte die anoxygene Photosynthese nicht die Produktion von organischem Material in einer Menge sicherstellen, die für die Entwicklung einer Vielzahl von Heterotrophen (organische Benutzer), einschließlich Tieren, notwendig ist.

Runde Heterozysten unter zylinderförmigen photosynthetischen Zellen in der filamentösen Kolonie von Cyanobakterien (Foto botit.botany.wisc.edu)

Cyanobakterien haben gelernt, anstelle von Schwefelwasserstoff reines Wasser zu verwenden, das ihnen eine breite Verteilung und enorme Biomasse beschert hat. Ein Nebeneffekt ihrer Aktivität war die Sättigung der Atmosphäre mit Sauerstoff. Ohne Cyanobakterien gäbe es keine Pflanzen, da die Pflanzenzelle das Ergebnis der Symbiose eines nicht-photosynthetischen einzelligen Organismus mit Cyanobakterien ist. Alle Pflanzen betreiben Photosynthese mit speziellen Organellen – Plastiden, die nichts anderes als symbiotische Cyanobakterien sind. Und es ist noch nicht klar, wer für diese Symbiose verantwortlich ist. Einige Biologen sagen, dass Pflanzen mit der metaphorischen Sprache einfach "Häuser" für lebende Cyanobakterien sind.

Heißer Frühling im Yellowstone Nationalpark. An den Rändern des Reservoirs entstehen Cyanobakterienmatten, in denen Cyanobakterien vorkommen Synechococcus spielt die Rolle des Hauptproduzenten organischer Substanz (Foto von www.carnegieinstitution.org)

Cyanobakterien haben nicht nur die Biosphäre des "modernen Typs" geschaffen, sondern sie auch heute noch aufrechterhalten, indem sie Sauerstoff produzieren und organische Materie aus Kohlendioxid synthetisieren. Aber das erschöpft ihre Verantwortung im globalen Biosphären-Kreislauf nicht.Cyanobakterien sind eines der wenigen Lebewesen, die atmosphärischen Stickstoff fixieren und in eine für alle Lebewesen zugängliche Form übersetzen können. Für die Existenz des irdischen Lebens ist die Stickstofffixierung absolut notwendig, und nur die Bakterien können sie ausführen, und das ist keineswegs alles.

Das Hauptproblem von stickstofffixierenden Cyanobakterien besteht darin, dass die Schlüsselenzyme der Stickstofffixierung, die Nitrogenase, in Gegenwart von Sauerstoff, der während der Photosynthese freigesetzt wird, nicht arbeiten können. Daher entwickelten die Stickstoff-fixierenden Cyanobakterien eine Funktionsteilung zwischen Zellen. Diese Arten von Cyanobakterien bilden filamentöse Kolonien, in denen einige Zellen nur in der Photosynthese beschäftigt sind und nicht Stickstoff fixieren, andere – mit einer dichten Membran "Heterozyste" bedeckt – nicht photosynthetisch und nur mit Stickstofffixierung beschäftigen. Diese zwei Arten von Zellen werden natürlich zwischen den Produkten ausgetauscht, die sie produzieren (organische Substanz und Stickstoffverbindungen).

Cyanobakterielle Matte im Schnitt. Die oberste grüne Schicht enthält Cyanobakterien Synechococcus. Mikrobenmatten sind komplexe Gemeinschaften, die viele verschiedene Mikroorganismen enthalten, die biochemische Funktionen teilen.Solche Matten, in vielerlei Hinsicht dem ganzen Organismus ähnlich, waren die vorherrschende Form des Lebens im Archaikum und Proterozoikum. Fotos von www.carnegieinstitution.org

Bis vor kurzem wurde geglaubt, dass es unmöglich ist, Photosynthese und Stickstofffixierung in derselben Zelle zu kombinieren. Am 30. Januar berichteten Arthur Grossman und seine Kollegen vom Carnegie Institute (Washington, USA) über eine wichtige Entdeckung, dass Wissenschaftler die metabolischen Fähigkeiten von Cyanobakterien bisher stark unterschätzt haben. Es stellte sich heraus, dass Cyanobakterien der Gattung in heißen Quellen leben Synechococcus (Primitive, uralte, extrem verbreitete einzellige Cyanobakterien gehören zu dieser Gattung) schaffen es, beide Prozesse in ihrer Einzelzelle zu kombinieren und sie zeitlich zu trennen. Während des Tages entwickeln sie Photosynthese, und nachts, wenn die Sauerstoffkonzentration in der mikrobiellen Gemeinschaft (cyanobakterielle Mate) stark abfällt, wechseln sie zur Stickstofffixierung.

Die Entdeckung amerikanischer Wissenschaftler war keine völlige Überraschung. In den Genomen verschiedener Arten lesen wir in den letzten Jahren Synechococcus Gene von Proteinen, die mit Stickstofffixierung assoziiert sind, wurden gefunden. Alles, was fehlte, waren experimentelle Beweise, dass diese Gene tatsächlich funktionieren.

So konnten wir herausfinden, woher die thermophilen mikrobiellen Matten stammen, die bei Temperaturen leben, die für das Wachstum gewöhnlicher filamentöser stickstofffixierender Cyanobakterien mit Heterozysten ungeeignet sind. Darüber hinaus ermöglicht Ihnen die Entdeckung einen neuen Blick auf die ältesten Entwicklungsstadien mikrobiellen Lebens auf unserem Planeten. Immerhin ähneln die ersten bekannten fossilen Überreste lebender Organismen (ihr Alter beträgt etwa 3,5 Milliarden Jahre) einzelligen Cyanobakterien nahe Synechococcus.

Die ältesten fossilen Mikroorganismen im Alter von 3,5 Milliarden Jahren aus Südafrika ähneln einzelligen Cyanobakterien (Foto von macroevolution.narod.ru)

Quelle von: Hot-Spring-Bakterien Flip einen metabolischen Schalter.

Siehe auch:
B. V. Gromow. Cyanobakterien in der Biosphäre.
Fossile Bakterien.
Der Ursprung des Lebens. Prokaryotische Biosphäre.

Alexander Markow


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