Wer ist der „Riese“ unter den Mikroorganismen?

Kürzlich isolierten französische Wissenschaftler aus den Mangrovenwatten der Karibischen See eine neue Bakterienart namens Thiomargarita luxuriant (Riesen-Thiomargarita sulfatus). Seine Größe erreichte erstaunliche 2 cm und war mit bloßem Auge leicht zu erkennen. Es ist wirklich erstaunlich, dass Bakterien die gleiche Größe wie Würmer erreichen können.

Thiomarginatus giganteus (weiße helle Linie) im Vergleich zu einer Münze

(Bildquelle: Referenz 5)

Warum also definieren wir Thiomargard als Bakterium? Warum ist es so groß geworden? Gibt es solche Giganten auch unter den anderen Mikroorganismen? Um diese Fragen zu beantworten, müssen wir mit der Klassifizierung von Organismen sowie den Verbindungen und Unterschieden zwischen verschiedenen Mikroorganismen beginnen.

1. Die gängigste biologische Klassifizierungsmethode - die Drei-Domänen-Theorie

Die Klassifizierung von Organismen ist für die Menschheit eine sehr wichtige wissenschaftliche Frage. Nur durch die richtige Klassifizierung können wir unterschiedliche Organismen besser erkennen und verstehen und sie somit besser nutzen oder schützen. In der biologischen Gemeinschaft ist es derzeit gängiger, Organismen in drei Hauptkategorien einzuteilen: Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. Diese Klassifizierungsmethode basiert auf ribosomalen RNA-Sequenzen und verlässt sich nicht einfach auf die anatomischen Merkmale verschiedener Arten, und ist relativ wissenschaftlich.

Schematische Darstellung der Drei-Domänen-Theorie

(Bildquelle: Referenz 2)

Es ist erwähnenswert, dass Viren in keine der oben genannten Kategorien fallen. Dies liegt daran, dass Viren nicht die Fähigkeit besitzen, unabhängig von Zellen zu überleben und erst nach der Infektion von Zellen lebensähnliche Eigenschaften aufweisen. Daher existieren Viren in der oben beschriebenen Klassifizierungsmethode häufig als nicht lebende Ergänzung.

In der Drei-Domänen-Theorie gibt es gewisse Ähnlichkeiten zwischen den Organismen in der bakteriellen Domäne und der archaeischen Domäne. Beide sind einzellige Organismen und ihre Zelltypen sind beide prokaryotische Zellen. Aufgrund grundlegender Unterschiede bei Zellmembranlipiden und ribosomaler RNA werden Bakterien und Archaeen jedoch in zwei Domänen unterteilt. Tatsächlich begannen sich ihre Vorfahren vor etwa 2,7 Milliarden Jahren unabhängig voneinander zu entwickeln und man kann sagen, dass es sich um zwei völlig unterschiedliche Organismen handelt.

Es ist zu beachten, dass der Name Archaea zwar das Wort „uralt“ enthält, Archaea aus evolutionärer Sicht jedoch weder „uralte Bakterien“ noch die Vorfahren moderner Bakterien sind. Tatsächlich sind Archaeen den Eukaryoten evolutionär näher verwandt und werden weithin sogar als deren Vorfahren angesehen.

Diagramm eukaryotischer und prokaryotischer Zellen

(Bildquelle: Wikipedia)

Obwohl es unter den Eukaryoten einzellige Organismen mit sehr einfachem Aufbau gibt, handelt es sich bei ihren Zellen im Wesentlichen um eukaryotische Zellen, die im Vergleich zu prokaryotischen Zellen grundlegende strukturelle Unterschiede aufweisen. Eukaryotenzellen enthalten einen Zellkern, daher der Name eukaryotisch. Eukaryotenzellen enthalten auch andere Organellen wie Mitochondrien, Chloroplasten, Golgi-Apparat usw. Verglichen mit eukaryotischen Zellen haben prokaryotenzellen im Allgemeinen keine innere Zellmembran, keinen geformten Zellkern, der von einer Kernmembran umhüllt ist, keine Chromosomen in den Zellen, die DNA-Ketten sind nicht gewunden und liegen in freier Form im Zytoplasma vor und es gibt keine membrangebundenen Organellen (wie Mitochondrien oder Chloroplasten) im Zytoplasma.

Kurz gesagt, die Struktur eukaryotischer Zellen ist viel komplexer als die prokaryotischer Zellen. Alle Arten von Tieren und Pflanzen, denen wir im täglichen Leben begegnen (einschließlich des Menschen selbst natürlich), bestehen aus eukaryotischen Zellen und gehören zu den eukaryotischen Organismen.

Bunte eukaryotische Organismen

(Bildquelle: Wikipedia)

2. Mikrobielle Riesenauswahl: Qualifikation ist sehr wichtig

Nachdem wir über die Klassifizierung von Organismen gesprochen haben, schauen wir uns an, wie Mikroorganismen klassifiziert werden sollten. Mikroorganismen sind ein allgemeiner Begriff für winzige Organismen, die mit bloßem Auge schwer zu erkennen sind. Es gibt weder eine allgemein anerkannte Definition ihrer Klassifizierung noch eine ausreichend fundierte biologische Grundlage.

Gegenwärtig neigt die biologische Gemeinschaft dazu, Mikroorganismen in die folgenden sechs Kategorien einzuteilen: Algen, Protozoen, Pilze (Pilze), Bakterien, Archaeen und Viren. Die ersten drei dieser sechs Mikroorganismen gehören zur Domäne der Eukaryota, Bakterien und Archaeen bilden jeweils eine Domäne und Viren gehören zu den nicht lebenden Dingen. Wir alle, normale Menschen wie wir, haben jedoch schon einmal die Macht von Viren erlebt. In unserer alltäglichen Wahrnehmung gelten Viren seit langem als Vertreter von Mikroorganismen.

Es muss darauf hingewiesen werden, dass es unter den drei Arten eukaryotischer Organismen, Algen, Protozoen und Pilzen, zwar viele winzige Organismen gibt, die ohne Mikroskop nicht sichtbar sind, es aber auch viele „Riesen“ gibt. Champignons beispielsweise, die repräsentativste Form der Pilzart, können leicht erstaunliche Größen erreichen. So entdeckten chinesische Wissenschaftler im Jahr 2018 einen Pilz, der angeblich der größte Pilz der Erde war und eine Länge von 12 Metern aufwies.

Allerdings wird in der vorhandenen Literatur berichtet, dass Wissenschaftler des U.S. Forest Service im Jahr 1998 in Oregon einen Stamm von Armillaria ostoyae entdeckten. DNA-Tests an verschiedenen Standorten zeigten, dass Exemplare dieses Pilzes eine Fläche von 890 Hektar bedeckten und möglicherweise seit etwa 2.400 Jahren im Wald wuchsen.

Manche Leute sagen, dass Pilze mehrzellige Pilze sind und es daher nicht überraschend ist, dass sie sehr groß werden. Das stimmt zwar, doch viele einzellige Algen und einzellige Protozoen können eine Größe erreichen, bei der sie sich nicht mehr als Mikroorganismen bezeichnen können. Beispielsweise handelt es sich bei dem im Biologiebuch der Oberstufe erwähnten Seetang um eine einzellige Alge. Sein Kern befindet sich an der Basis, umgeben von Scheinwurzeln, und Strukturen wie „Hut“ und „Stiel“ erstrecken sich nach oben. Die Größe des Kelps beträgt tatsächlich nur 2 bis 5 Zentimeter, was nichts mehr mit Mikroorganismen zu tun hat. Einige noch größere einzellige Algen und einzellige Protozoen können eine Länge von mehreren zehn Zentimetern oder sogar Metern erreichen.

Mehrere riesige Einzeller, von links nach rechts: Cyclocystis sphaerocephala, Pteridophyta sphaerocephala und Umbellifera

(Bildquelle: Wikipedia)

Natürlich besitzen solche riesigen Einzeller im Zellinneren in der Regel nicht nur einen Zellkern, sondern mehrere Kerne, die ein sogenanntes „Syncytium“ bilden. Der Grund für die Bezeichnung als Einzeller liegt darin, dass es innerhalb der Struktur, aus der ihr Körper besteht, keine Strukturen wie Zellwände oder Zellmembranen gibt, die die einzelnen Zellen voneinander trennen.

Die wahren mikrobiellen Giganten können in diesem Fall nur aus Bakterien, Archaeen und Viren ausgewählt werden.

3. Mikrobielle Riesen, die die Wahrnehmung untergraben

Schauen wir uns zunächst die Bakterien an. Vor der Entdeckung dieses Superriesenbakteriums war die namibische Gattung Thiomarginata (vom Volumen her) immer der größte Bakterium der Welt. Das Bakterium wurde 1999 in Meeresablagerungen vor dem namibischen Kontinentalschelf entdeckt. Sein durchschnittlicher Durchmesser beträgt 0,1 bis 0,3 mm, die größten Exemplare sind sogar fast 1 mm groß und damit groß genug, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Der uns wohlbekannte E. coli ist nur wenige Mikrometer groß und das Volumen der beiden Bakterien unterscheidet sich tausendfach.

Die diesmal entdeckten riesigen schwefelliebenden Bakterien haben den bisherigen Rekord direkt um das Tausendfache gebrochen. Ihre Länge kann bis zu 2 cm betragen. Sie sind nicht nur mit bloßem Auge sichtbar, sondern können auch leicht mit einer Pinzette aufgenommen werden. Ihre Form ähnelt den menschlichen Wimpern. Wenn wir die Größe eines Erwachsenen zum Vergleich mit der Größe gewöhnlicher Bakterien heranziehen, entspricht die Größe von Thiomarginatum giganteum dem Mount Everest und ist damit mehr als 5.000 Mal so groß wie die Größe gewöhnlicher Bakterien.

Größenvergleich von Thiomarginatus giganteus (A/B) und Escherichia coli (Bildquelle: Referenz 1)

Im Vergleich zu gewöhnlichen Bakterien ist die DNA-Größe von Thiomargarita gigantea größer und die Menge an genetischer Information ist etwa dreimal so groß wie die von Escherichia coli. Als prokaryotischer Organismus besitzt er keine Zellkernstruktur wie eukaryotische Organismen, aber im Inneren seiner Zellen befinden sich zahlreiche kleine Organellen, die DNA tragen. Um diese DNA-„Kerne“ herum werden Proteine ​​in großen Mengen synthetisiert, wodurch sie enorme Größen erreichen. Seine Entdecker dachten zunächst nicht, dass es sich um ein Bakterium handelte, doch DNA-Tests bestätigten, dass es sich bei diesem Ungetüm tatsächlich um ein eigenständiges Individuum handelte.

Die meisten Archaeen sind Extremophile, die in extremen Umgebungen leben, und die meisten Menschen wissen nicht viel über sie. Die größten derzeit bekannten Archaeen sind etwa ein Dutzend Mikrometer groß, und die größten stäbchenförmigen Archaeen können eine Länge von fast 100 Mikrometern (0,1 mm) erreichen. Möglicherweise liegt es an den Einschränkungen der Lebensumgebung, dass der Mensch bisher noch keine Archaeenart entdeckt hat, die man als „riesig“ bezeichnen könnte.

Archaeen sind häufige Besucher hydrothermaler Quellen in der Tiefsee (Bildquelle: Wikipedia)

Viren haben eine einfache Struktur und sind nicht in der Lage, außerhalb von Zellen unabhängig zu überleben. Daher sind sie von der Drei-Domänen-Theorie ausgeschlossen. Eine einfache Struktur bedeutet natürlich eine winzige Größe und aus diesem Grund wurden Viren Hunderte von Jahren später entdeckt als Bakterien. Erst mit der Erfindung des elektronischen Teleskops war der Mensch in der Lage, Viren wirklich zu beobachten. Nehmen Sie als Beispiel das neue Coronavirus. Seine Größe beträgt nur 120 Nanometer, was einigen Hundertsteln des Volumens von E. coli entspricht. In den letzten Jahren wurden jedoch nacheinander zahlreiche Riesenviren entdeckt, was das bisherige Verständnis der Menschheit von Viren grundlegend auf den Kopf gestellt hat.

Im Jahr 2003 entdeckten französische Wissenschaftler das etwa 400 Nanometer große Mimivirus. Seine Entdeckung markierte auch den Beginn der Einführung riesiger Viren in das menschliche Sehvermögen. Das derzeit größte von Menschen entdeckte Virus ist das Pittosporin-Virus, über das 2014 berichtet wurde. Bei diesem Virus handelt es sich um ein doppelsträngiges DNA-Virus, das in Eisbohrkernen aus dem sibirischen Permafrost gefunden wurde. Seine maximale Länge beträgt etwa 2 Mikrometer und sein Durchmesser erreicht 0,5 Mikrometer. Sein Aussehen ähnelt stark den weithalsigen Tongefäßen, die im alten Rom verwendet wurden, daher der Name. Das Auftauglasvirus kann Amöben infizieren und töten. Daher herrscht nicht nur wegen seiner Größe große Besorgnis, sondern auch wegen der Möglichkeit, dass die globale Erwärmung zum Auftauen des Permafrosts und zur Freisetzung unbekannter Krankheitserreger führen könnte.

Größenvergleich des Weithalsglasvirus und des neuen Coronavirus (rechts)

(Bildquelle: Wikipedia)

In gewissem Sinne sind Mikroorganismen die wahren Herren der Erde und sie kommen in jedem Winkel der Erde vor. Von feurigen hydrothermalen Quellen in der Tiefsee bis hin zu seit Millionen von Jahren gefrorenem Permafrost gedeihen und vermehren sich Mikroorganismen hartnäckig und spielen letztlich eine Schlüsselrolle in den Energie- und Materialkreisläufen der Erde. Die Erde formt Mikroorganismen und Mikroorganismen formen wiederum die Erde. Ihre wundersame Vielfalt in der Evolution hat es den Menschen ermöglicht, ihr Verständnis des Konzepts „Lebewesen“ kontinuierlich zu erweitern. Vielleicht wird es in Zukunft noch größere Mikroorganismen geben, die die Liste der mikrobiellen Giganten erweitern.

Verweise

Ein zentimeterlanges Bakterium mit DNA in metabolisch aktiven, membrangebundenen Organellen

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb3634

Kapitel 30: Der innere Körper des „Vorfahren“ vor 2,7 Milliarden Jahren

https://gendai.ismedia.jp/articles/-/73944

Möchten Sie Zellen ohne Mikroskop beobachten? Diese "riesigen" Einzeller können Sie zufriedenstellen

https://tech.sina.com.cn/roll/2020-01-06/doc-iihnzhha0600724.shtml

Detaillierter Aufbau und Analyse des weltweit größten Tieftemperatur-Elektronenmikroskops

https://www.nips.ac.jp/release/2017/11/post_352.html

Die größten bekannten Bakterien der Welt sind mit bloßem Auge sichtbar

https://www.newscientist.com/article/2325909-largest-known-bacteria-in-the-world-are-visible-to-the-naked-eye/

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Guo Fei (Yantai University)

Hersteller: China Science Expo