Cyanobakterien sind Pioniere der Hochgebirgswüsten • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Ökologie, Mikrobiologie

Cyanobakterien – Pioniere der Hochlandwüsten

Der sich zurückziehende Rand des Puca-Gletschers (Puca) in den peruanischen Anden, wo die Studie durchgeführt wurde (entfernt aus einer Entfernung von ca. 8 km). Im Vordergrund ist der See Sibinacocha, 4900 m über dem Meeresspiegel. Der Gipfel am Horizont ist der Mount Nevado Chumpe, auch Yatunriti genannt, der 6106 Meter über dem Meeresspiegel liegtProceedings der Royal Society

Durch das Abschmelzen von Hochgebirgsgletschern werden Bereiche der Erdoberfläche freigelegt, die seit Jahrtausenden mit Eis bedeckt sind. Bereits in den ersten Jahren nach dem Rückzug des Gletschers entwickelt sich in diesen Gebieten, die völlig leblos aussehen, ein reiches mikrobielles Leben. Eine Studie, die in den peruanischen Anden durchgeführt wurde, zeigte, dass Cyanobakterien in wegweisenden mikrobiellen Gemeinschaften eine Schlüsselrolle spielen. Mikroben sättigen den Boden allmählich mit organischem Material und Stickstoff und bereiten ihn für das Pflanzen vor.

Aufgrund des globalen Klimawandels schmelzen die Gletscher in vielen Teilen der Welt, einschließlich der Anden, rasch. In den rauen Bedingungen des Hochlandes auf den nach dem Rückzug des Gletschers exponierten Gebieten erscheinen manchmal sichtbare Vegetation (Flechten und Moose), die mit dem bloßen Auge sichtbar sind, nur nach Jahrzehnten. Während dieser langen Zeit sieht der von der Eisgefangenschaft befreite Boden völlig leblos aus.Trotzdem treten natürlich einige wichtige Prozesse auf – denn am Ende wird es für Pflanzen geeignet.

Die frühen "Vorwuchs" -Stadien der ökologischen Sukzession (dh die Entwicklung des Ökosystems) an solchen Orten wurden bisher kaum untersucht. Anhand der verfügbaren fragmentarischen Informationen konnten die Wissenschaftler drei mögliche Mechanismen für die schrittweise Umwandlung eines praktisch sterilen Bodens in einen für das Pflanzenleben geeigneten Boden vorschlagen.

Nach der ersten Hypothese sind die ältesten organischen Stoffe, die seit der vorglazialen Zeit im Boden erhalten sind, die Grundlage für die Entwicklung des Lebens. In diesem Fall sollten die ersten Masseneinwohner solcher Böden heterotrophe Mikroorganismen sein (die von vorgefertigter organischer Substanz füttern).

Die zweite Hypothese legt nahe, dass organische Substanzen zusammen mit Pollen, Sporen von niederen Pflanzen und Pilzen und anderen kleinen Objekten organischer Natur, die vom Wind getragen werden, in diese Böden eindringen. Nach dieser Version sollten die ersten Siedler von Hochgebirgswüsten auch heterotrophe Mikroben sein, die sich von organischem Material ernähren, das vom Wind mitgebracht wird.

Schließlich legt die dritte Hypothese nahe, dass autotrophe Gemeinschaften (Photosynthese,Herstellung von organischen Stoffen aus Kohlendioxid) Mikroben, vor allem Cyanobakterien. Diese Mikroben spielen eine wichtige Rolle bei der schrittweisen Anreicherung von Hochgebirgsböden.

Natürlich schließen sich diese Hypothesen nicht gegenseitig aus: Alle drei Mechanismen können gleichzeitig funktionieren, die einzige Frage ist, welche von ihnen wichtiger ist.

Eine Gruppe amerikanischer Forscher um Steve Schmidt (Steve Schmidt) von der Universität von Colorado in Boulder (Universität von Colorado in Boulder) untersuchte detailliert die ersten Entwicklungsstadien von Böden, die während des Schmelzens von Gletschern im Hochland der peruanischen Anden (genauer gesagt in der Cordillera de Vilcanota) entstanden , im Südosten von Peru, an der Grenze der Departements Cusco und Puno, 80 km südöstlich der Stadt Cusco). An diesen Orten ist die Entwicklung von Pflanzen aufgrund des trockenen und kalten Klimas, des niedrigen atmosphärischen Drucks und der harten ultravioletten Strahlung äußerst schwierig. Die Bedingungen hier sind so hart, dass sie mit den gefrorenen "Trockentälern" der Antarktis und sogar mit dem Mars verglichen werden. Es ist nicht verwunderlich, dass der exponierte Boden in diesen Regionen auch 80 Jahre nach dem Rückzug des Gletschers leblos bleibt.

In der Fortsetzung des Beobachtungszeitraums, der im Jahr 2000 begann, zog sich der Puca-Gletscher (Puca), in dem Wissenschaftler arbeiteten, durchschnittlich um 20 m pro Jahr zurück.Die Wissenschaftler kannten auch die Position der Gletschergrenze in der ferneren Vergangenheit – 1931 (zu dieser Zeit zog sich der Gletscher ein wenig langsamer zurück – etwa 14 m pro Jahr). Dies erlaubte uns, eine Reihe von Bodenproben mit genau bekanntem "Alter" zu nehmen: 0, 1, 4 und 79 Jahre seit der Zeit, als sie das Eis verließen.

Eine umfassende Studie der Proben zeigte, dass von den drei möglichen Szenarien für die anfängliche Besiedlung lebloser Böden die letzte und dritte der Realität am nächsten sind, wonach die ersten Stadien der ökologischen Sukzession nicht auf alten organischen Stoffen oder Pollen durch den Wind, sondern auf die Aktivität der lebenden und aktiven photosynthetischen Gemeinschaft zurückzuführen sind Mikroorganismen.

Die Analyse von DNA-Fragmenten, die aus Proben isoliert wurden, zeigte, dass unmittelbar nach dem Rückzug des Gletschers in den Boden nur drei Arten von Cyanobakterien existieren. Sie alle sind nahe Verwandte jener Arten, die zuvor in den antarktischen "Trockentälern" gefunden wurden. Das Bild ändert sich in den nächsten 4 Jahren radikal. Während dieser Zeit entwickelt sich eine reiche und vielfältige mikrobielle Gemeinschaft im Boden, einschließlich mindestens 20 Arten von Cyanobakterien.Einige von ihnen gehören zu den Gruppen, die der Wissenschaft unbekannt sind, andere sind mit Cyanobakterien verwandt, die in den oberen Schichten von Wüstenböden gefunden werden, andere gehören zu weit verbreiteten, fast allgegenwärtigen Gattungen Nostoc und Anabaena, bekannt für seine Fähigkeit, schnell und effizient Luftstickstoff einzufangen (das heißt, es in eine Form umzuwandeln, die für die Verwendung durch lebende Zellen geeignet ist). Über die Fähigkeit von Cyanobakterien zur Stickstofffixierung, siehe: Cyanobakterien kombinieren in einer Zelle Photosynthese und Fixierung von atmosphärischem Stickstoff, "Elements", 01.02.2006; Um die Stickstoffbilanz zu reduzieren, ist es notwendig, das Phytoplankton "Elemente", 15.06.2006, korrekt zu berechnen.

Die Wissenschaftler haben sorgfältig den Stickstoffgehalt in den Proben sowie die Geschwindigkeit seiner Fixierung gemessen. Es stellte sich heraus, dass der Boden im ersten Jahr nach dem Rückzug des Gletschers sehr wenig Stickstoff enthält und seine Fixierungsrate gering ist (etwa 0,8 μg pro Quadratmeter pro Stunde). Dann beginnt die Intensität der Stickstofffixierung schnell zu wachsen und erreicht im vierten Jahr ein Maximum (37 μg). Anschließend verlangsamt sich der Prozess der Stickstofffixierung etwas (bis zu 18 μg pro Quadratmeter pro Stunde, 79 Jahre nach dem Gletscheraustritt). Was die Sättigung des Bodens mit Stickstoff betrifft, so nimmt er nicht ab,und es wächst kontinuierlich über das gesamte untersuchte Zeitintervall: von nahe Null Werten im ersten Jahr bis zu 600 Mikrogramm pro Gramm trockener Erde in 79 Jahren. Offensichtlich wird es in den Anfangsstadien der Entwicklung der cyanobakteriellen Gemeinschaft durch Formen dominiert, die in der Lage sind, Stickstoff effizient zu fixieren. In der Zukunft, wenn der Boden mit Stickstoff angereichert wird, werden diese Cyanobakterien teilweise durch andere ersetzt, wobei die akkumulierten Reserven von stickstoffhaltigen Verbindungen verwendet werden.

Während der Sukzession wächst nicht nur die Diversität der Boden-Cyanobakterien, sondern auch deren Gesamtmasse und Biomasse. Dies zeigt sich insbesondere in der schnellen Zunahme des Gehaltes an Chlorophyllen und einiger anderer Cyanobakterien charakteristischer Pigmente in den Proben.

Die Wissenschaftler fanden auch heraus, dass der Gehalt an organischer Substanz im Boden mit der Zeit rasch ansteigt und dass die Menge der nachgewiesenen organischen Verbindungen vollständig mit der Annahme ihres cyanobakteriellen Ursprungs übereinstimmt. Wenn die frühen Stadien der ökologischen Sukzession unter aktiver Beteiligung von heterotrophen Mikroben durchgeführt würden, die die organischen oder mit Wind angereicherten organischen Substanzen verzehren, würde man kein Wachstum erwarten, aber eine Abnahme der Konzentration organischer Substanzen im Boden (oder zumindest würde das Wachstum nicht so schnell sein).Ja, und die Zusammensetzung der organischen Materie wäre in diesem Fall völlig anders. In den "jungen" Böden (Alter 0, 1 und 4 Jahre) entstehen bei der Zersetzung von organischem Material pflanzlichen Ursprungs (zum Beispiel Pollen) praktisch keine Substanzen. Irgendwelche merklichen Mengen solcher Substanzen wurden nur in 79-jährigen Proben gefunden. Dies bedeutet, dass organische Stoffe, die durch den Wind eingebracht werden, sich langsam ansammeln und kaum ein bestimmender Faktor in den frühen Stadien der Sukzession sein können.

Die Analysen, die von den Forschern durchgeführt werden, erlauben nicht, vollständige Listen aller in den untersuchten Böden vorhandenen Mikroben zu erhalten. In diesem Artikel wurde der Schwerpunkt auf Cyanobakterien gelegt. Zum Beispiel wurden bei der Analyse von DNA Techniken verwendet, um nur das Vorhandensein von cyanobakteriellen Genen (nämlich den 16S-rRNA-Genen) nachzuweisen. Gleichzeitig wurden jedoch auch die 16S-rRNA-Gene, die in den Chloroplastengenomen von einzelligen Kieselalgen vorkommen, auf die Aufmerksamkeit der Forscher aufmerksam. Pflanzliche Chloroplasten sind bekanntlich Nachkommen von symbiotischen Cyanobakterien. Daher sind die 16S-rRNA-Gene in Chloroplasten und Cyanobakterien einander sehr ähnlich und werden an demselben "Köder" gefangen (dh an den gleichen Primern, siehe: Polymerase-Kettenreaktion).Es stellte sich heraus, dass eine kleine Menge von Kieselalgen bereits in den "jüngsten" Böden vorhanden ist und ihre Anzahl in Zukunft deutlich ansteigen wird. Diatomeen aus Proben unter 1 Jahr konnten nicht identifiziert werden – dies sind einige unbekannte Kieselalgen in der Wissenschaft. Dann entwickelt sich eine Kieselalge im Boden. Nitzschia-Frustel – Arten, die zuvor im antarktischen Eis gefunden wurden.

Um die Dynamik der Entwicklung von heterotrophen Mikroben zu beurteilen, haben Wissenschaftler in Proben die Aktivität von Phosphatasen, Peptidasen und Cellulasen gemessen, dh jene Enzyme, mit deren Hilfe Bakterien üblicherweise verschiedene organische Verbindungen "verdauen". Es stellte sich heraus, dass in den "jüngsten" Böden (0 und 1 Jahr) die Aktivität dieser Enzyme sehr gering ist. Die Aktivität von Phosphatase und Peptidase steigt in 4-Jahres-Proben deutlich an und wächst weiter. Enzyme dieser zwei Klassen können verwendet werden, um organische Substanzen jeglicher Herkunft, einschließlich Bakterien, zu zersetzen. Die Aktivität von Cellulase, einem Enzym, das für die Zersetzung von organischem Material pflanzlichen Ursprungs notwendig ist, wurde nur in den "ältesten" (79 Jahre alten) Böden registriert. Diese Ergebnisse stimmen mit dem überein, was oben bezüglich der sehr langsamen Akkumulation von pflanzlichen organischen Stoffen (zum Beispiel Pollen), die durch den Wind verursacht werden, erwähnt wurde.

Im Allgemeinen zeigen die Ergebnisse überzeugend, dass die wahren Pioniere von Hochgebirgswüsten, die sich an der Stelle schmelzender Gletscher bilden, Cyanobakterien sind. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Bereicherung von leblosen Böden mit organischer Substanz und Stickstoff. Heterotrophe Mikroben, alte organische Stoffe und vom Wind erzeugte Pollen spielen nur eine untergeordnete Rolle.

Die Autoren fanden auch heraus, dass die Böden, die unter dem Gletscher entstanden sind, weniger fließend und stärker werden. Höchstwahrscheinlich wird dies auch durch die Aktivität von Cyanobakterien erklärt – es ist bekannt, dass diese Mikroben große Mengen an Klebstoffen absondern, die die Bodenteilchen zusammenhalten können. So bereichern Cyanobakterien den Boden nicht nur mit Nährstoffen, sondern schützen ihn auch vor Erosion.

Quelle: S.K. Schmidt et al. Die frühesten Stadien der Ökosystemabfolge im Hochgebirge (5000 Meter über dem Meeresspiegel), kürzlich enteiste Böden // Proceedings der Royal Society B: Biologische Wissenschaften. 2008. doi: 10.1098 / rspb.2008.0808 (online veröffentlicht).

Alexander Markow


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