Mikrobiologie: Bakterienkommunikation über elektrische Netzwerke
© L. Amaral Zettler (Ausschnitt)
Im Meeresgrund wimmelt es von Leben – mikroskopisch kleinem: Die Gesamtmasse der sich im Schlamm des Ozeanbodens tummelnden Bakterien beträgt rund 90 Milliarden Tonnen, kalkulieren Wissenschaftler. Nun haben dänische Forscher um Lars Peter Nielsen von der Universität Aarhus entdeckt, wie Bakteriengemeinschaften untereinander kommunizieren, selbst wenn die Artgenossen nicht in direktem Kontakt untereinander stehen: Sie bauen auf ein elektrisches Netzwerk, dessen Reichweite 20 000-mal größer ist als ihre eigene Körperlänge und das verschiedenste Spezies überspannt.
Entdeckt haben die Mikrobiologen diese Zusammenarbeit, als sie Sedimentproben aus der Bucht von Aarhus an der Ostsee im Labor untersuchten. Jedes Mal, wenn sie Sauerstoff in ihre Gefäße leiteten, bemerkten sie, dass auch in tieferen Lagen Oxidationsprozesse ansprangen, obwohl das Gas bis dorthin eigentlich nicht vordringen konnte. Umgekehrt endeten die chemischen Reaktionen auch wieder, wenn die O2-Zufuhr stoppte. Ein Zusammenhang, den sich Nielsens Team zuerst nicht erklären konnte.
Weitere Experimente klärten dann, dass der Meeresboden tatsächlich von einer Art elektrischem Netzwerk durchzogen sein könnte und die Mikroben quasi miteinander verkabelt sind: Über das System tauschen sie Elektronen aus, so dass Bakterien in tieferen Schichten von chemischen Reaktionen an der Oberfläche profitieren und umgekehrt. So ernähren sich Organismen im sauerstofflosen Substrat von organischem Bestandsabfall und Schwefelwasserstoff, die sich darin angesammelt haben, und gewinnen daraus ihre Energie. Dabei setzen sie Elektronen frei, die über das Netzwerk an die Oberfläche geleitet werden, wo sie bei der Reduktion von Sauerstoff mithelfen, die von anderen Bakterien geleistet wird. Durch diese elektrische Symbiose profitieren alle Mikroben und gewinnen ausreichend Energie.
"Vereinfacht könnte man sagen, dass manche Bakterien im Untergrund im Auftrag aller 'essen', während andere an der Oberfläche für alle 'atmen'", fasst es Nielsen zusammen. Die Versuche zeigten, dass die Mikroorganismen rasch auf chemische Veränderungen reagierten: In sauerstofflosem Wasser weitete sich die anoxische Schicht im Sediment schnell aus, da nun weniger Schwefelwasserstoff durch die Bakterien umgesetzt wurde. Sobald frisches Wasser zugeführt wurde, verkleinerte sich diese Zone innerhalb von nur einer Stunde wieder.
Auf Grund der schnellen und flexiblen Veränderungen schlossen die Forscher Diffusion von Molekülen im Untergrund aus. Wie die elektrische Verknüpfung funktioniert, können sie noch nicht mit Gewissheit sagen. Womöglich sind Enzyme in der äußeren Hülle der Mikroben am Elektronentransport beteiligt oder es existieren tatsächlich biogene Nanodrähte, welche die einzelnen Zellen miteinander verknüpfen. Vorstellbar wäre auch, dass anorganische Verbindungen die Elektronen durch das Sediment leiten, meint Nielsen – etwa Pyrit oder Eisenverbindungen. Welche Dimensionen das Netzwerk insgesamt umfasst, bleibt ebenfalls noch ungeklärt. Im Labor reichte es zwölf Millimeter weit – im Bakterienmaßstab immerhin eine beträchtliche Distanz. (dl)
Entdeckt haben die Mikrobiologen diese Zusammenarbeit, als sie Sedimentproben aus der Bucht von Aarhus an der Ostsee im Labor untersuchten. Jedes Mal, wenn sie Sauerstoff in ihre Gefäße leiteten, bemerkten sie, dass auch in tieferen Lagen Oxidationsprozesse ansprangen, obwohl das Gas bis dorthin eigentlich nicht vordringen konnte. Umgekehrt endeten die chemischen Reaktionen auch wieder, wenn die O2-Zufuhr stoppte. Ein Zusammenhang, den sich Nielsens Team zuerst nicht erklären konnte.
Weitere Experimente klärten dann, dass der Meeresboden tatsächlich von einer Art elektrischem Netzwerk durchzogen sein könnte und die Mikroben quasi miteinander verkabelt sind: Über das System tauschen sie Elektronen aus, so dass Bakterien in tieferen Schichten von chemischen Reaktionen an der Oberfläche profitieren und umgekehrt. So ernähren sich Organismen im sauerstofflosen Substrat von organischem Bestandsabfall und Schwefelwasserstoff, die sich darin angesammelt haben, und gewinnen daraus ihre Energie. Dabei setzen sie Elektronen frei, die über das Netzwerk an die Oberfläche geleitet werden, wo sie bei der Reduktion von Sauerstoff mithelfen, die von anderen Bakterien geleistet wird. Durch diese elektrische Symbiose profitieren alle Mikroben und gewinnen ausreichend Energie.
"Vereinfacht könnte man sagen, dass manche Bakterien im Untergrund im Auftrag aller 'essen', während andere an der Oberfläche für alle 'atmen'", fasst es Nielsen zusammen. Die Versuche zeigten, dass die Mikroorganismen rasch auf chemische Veränderungen reagierten: In sauerstofflosem Wasser weitete sich die anoxische Schicht im Sediment schnell aus, da nun weniger Schwefelwasserstoff durch die Bakterien umgesetzt wurde. Sobald frisches Wasser zugeführt wurde, verkleinerte sich diese Zone innerhalb von nur einer Stunde wieder.
Auf Grund der schnellen und flexiblen Veränderungen schlossen die Forscher Diffusion von Molekülen im Untergrund aus. Wie die elektrische Verknüpfung funktioniert, können sie noch nicht mit Gewissheit sagen. Womöglich sind Enzyme in der äußeren Hülle der Mikroben am Elektronentransport beteiligt oder es existieren tatsächlich biogene Nanodrähte, welche die einzelnen Zellen miteinander verknüpfen. Vorstellbar wäre auch, dass anorganische Verbindungen die Elektronen durch das Sediment leiten, meint Nielsen – etwa Pyrit oder Eisenverbindungen. Welche Dimensionen das Netzwerk insgesamt umfasst, bleibt ebenfalls noch ungeklärt. Im Labor reichte es zwölf Millimeter weit – im Bakterienmaßstab immerhin eine beträchtliche Distanz. (dl)
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