Bakterien sind so „fruchtbar“, wird die Erde eines Tages von ihnen bewohnt sein?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Zhihui

Hersteller: China Science Expo

Bakterien leben seit Milliarden von Jahren auf der Erde und haben die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich gezogen, seit Leeuwenhoek sie 1683 erstmals beobachtete.

Bakterien vermehren sich sehr schnell. Nehmen wir als Beispiel Escherichia coli. Sie zeugen im Durchschnitt alle 20 Minuten eine Generation. In nur einem Tag kann E. coli von einer Zelle auf 4722×1021 Zellen wachsen. Würden diese Bakterien auf der Erdoberfläche verteilt, würden sie die Erde vollständig bedecken.

Wenn sich die Teilungs- und Reproduktionsrate also weiterhin so schnell fortsetzt, wird die Erde dann von Bakterien übernommen?

Bildquelle: Vom Autor erstellt

Draußen lauert ein starker Feind: die Bedrohung durch „fressende Bakterien“

Bakterien vermehren sich zwar schnell, sind aber noch nicht zu einer Katastrophe geworden. Dies liegt daran, dass sie auf der Erde immer noch natürliche Feinde haben. So wie Wiesel der natürliche Feind der Mäuse sind, sind Bakteriophagen die natürlichen Feinde der Bakterien. Dabei handelt es sich um Viren, die Bakterien „töten“ können.

Bakteriophagen sind Mikroorganismen, die kleiner als Bakterien sind. Vergleicht man Bakterien mit Fußbällen, sind sie etwa so groß wie Tischtennisbälle. Beispielsweise ist E. coli etwa 2 μm lang und der Bakteriophage T4 etwa 0,2 μm.

Das Aussehen eines Bakteriophagen ähnelt einer Kaulquappe, mit einem runden oder polygonalen Kopf und einem röhrenförmigen Schwanz mit sechs Schwanzfäden am Ende.

Bakteriophagen können ihre eigenen Nukleinsäuren wie mit einer Spritze in Bakterien injizieren und dann die Nukleotide, Enzyme und anderen Rohstoffe der Bakterien verwenden, um Phagen-Nachkommen zu synthetisieren. Am Beispiel des T2-Phagen dauert es bei 37 °C nur etwa 40 Minuten, um 100 bis 300 Phagennachkommen zu produzieren.

Nachdem Bakterien zur Synthese von Nachkommen verwendet wurden, lysiert der Phage die Bakterien, sodass der Phage nicht nur die Bakterien tötet, sondern auch eine große Zahl von Nachkommen synthetisiert. Die Nachkommenphagen töten weitere Bakterien ab. Daher hemmt die Existenz von Bakteriophagen wirksam das Wachstum der Bakterienpopulation.

Bakteriophagen-Infektionsprozess

Bildquelle: Vom Autor erstellt

Neben Bakteriophagen sind auch Makrophagen natürliche Feinde von Bakterien und können Bakterien „fressen“. Makrophagen sind geweberesidente Phagozyten, die aus Monozyten hervorgehen.

Makrophagen machen Jagd auf schädliche Bakterien, die Tiere infizieren. Manchmal kämpfen Makrophagen jedoch nicht allein, sondern haben auch Mitstreiter, die mit ihnen zusammenarbeiten: die Neutrophilen.

Makrophagen verschlingen Bakterien

Bildquelle: Vom Autor erstellt

Neutrophile opfern sich selbst, um neutrophile extrazelluläre Fallen (NETs) zu produzieren, die wie ein Spinnennetz Bakterien fixieren und so die bakterizide Wirkung der Spinnenmakrophagen steigern. Daher kann die Existenz von „Bakterienfressern“ auch das Wachstum der Bakterienzahl eindämmen.

Interner Konflikt: Raum- und Energiebeschränkungen

Bakterien vermehren sich sehr schnell, es kommt aber auch darauf an, ob die Umgebung es ihnen erlaubt, sich weiter zu teilen und zu vermehren. Da ist zum einen die Raumtragfähigkeit. Obwohl Bakterien so klein sind, dass wir sie nicht sehen können, können sie, wenn sie sich 24 Stunden lang kontinuierlich vermehren, die gesamte Erde bedecken. In einem bestimmten Raum können sich Bakterien jedoch aufgrund der Platzbeschränkungen nicht unbegrenzt vermehren.

Andererseits müssen Bakterien zur Vermehrung und Teilung Nährstoffe aus der Außenwelt aufnehmen, wie etwa Kohlenstoffquellen, Stickstoffquellen, anorganische Salze usw.

Während sich Bakterien weiter vermehren, nehmen die Nährstoffe in der Umgebung allmählich ab, was das Wachstum zunehmend ungünstiger macht. Der innerartliche Wettbewerb zwischen Bakterien wird immer stärker und dementsprechend nehmen auch die Schadstoffe in der Lebensumgebung zu. Wenn sich die Umweltbedingungen nicht verbessern, verändert sich schließlich die Form einzelner Bakterien, sie beginnen, sich zu verformen oder abzusterben, und die Anzahl der Bakterien nimmt deutlich ab und nähert sich schließlich Null.

Beispielsweise setzen Actinomyceten während ihres Wachstums bestimmte Chemikalien (wie Antibiotika) frei, um das Überleben anderer Bakterien zu verhindern. Sie können auch aufgrund ihrer eigenen massiven Vermehrung aufgrund von Sauerstoff- und Nährstoffmangel in der Umwelt sterben. Daher beeinflussen zahlreiche Umweltfaktoren die Bakterienzahl.

Bildquelle: Biorender

Eigene Mängel - kurzer Lebenszyklus

Obwohl sich Bakterien schnell vermehren, ist ihr Lebenszyklus (individuell) relativ kurz. Der bakterielle Wachstumszyklus ist im Wesentlichen in vier Phasen unterteilt: Verzögerungsphase, logarithmische Phase, stationäre Phase und Zerfallsphase.

Am Beispiel von Escherichia coli tritt Escherichia coli unter normalen Umständen in die Todesphase ein, nachdem es nach der Inokulation 17–20 Stunden lang in einer Umgebung mit 37 °C kultiviert wurde. Nachdem Bakterien in das Zerfallsstadium eingetreten sind, steigt die Zahl der toten Bakterien erheblich an und die physiologischen Stoffwechselaktivitäten neigen dazu, zu stagnieren.

Der Eintritt von Bakterien in das Zerfallsstadium hat zwei Hauptaspekte: Einerseits gibt es Gene, die die Alterung in biologischen Zellen steuern, und das Gleiche gilt für Bakterien. Wenn diese Gene ein bestimmtes Niveau erreichen, werden sie aktiviert und schließlich altern die Bakterien und sterben.

Andererseits kommt es auch bei einigen Bakterien, beispielsweise Eukaryoten, zum programmierten Zelltod (PCD). Unter Umwelteinflüssen unterliegen Bakterien einer Stressanpassung, die zur funktionellen Differenzierung, zum Tod oder zur Ruhephase der Zellen führt. Beispielsweise können widrige Umstände wie Hunger zum Absterben einiger Zellen führen.

Bakterienwachstumskurve

Bildquelle: Biorender

Daraus lässt sich ersehen, dass die Zahl der Organismen nicht einfach zunimmt, sondern dass sie unter den Zwängen äußerer Umweltfaktoren und innerer Bedingungen einen annähernden Gleichgewichtszustand aufweist. Es besteht also kein Grund zur Sorge. Obwohl sich Bakterien sehr schnell vermehren, können sie die Erde aufgrund verschiedener Faktoren nicht besiedeln.

Herausgeber: Wang Tingting

Quellen:

Zhou Deqing. Lehrbuch der Mikrobiologie. 3. Auflage[M]. Hochschulverlag, 2011.

Madigan M. Brock Biologie der Mikroorganismen, 13. Ausgabe [M]. Upper Saddle River, New Jersey. 2012.

Bild: Selbst erstellte Bildelemente von https://biorender.com/