Wie ein Ozean-düngendes Bakterium Verbände bildet

Die Meeresmikrobe Trichodesmium zog schon früh die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich. Der britische Kapitän James Cook war einer der ersten, der seine Beobachtungen im Jahre 1770 im Roten Meer dokumentierte. Ein Mikroskop brauchte er dafür nicht – das Kleinstlebewesen vermehrt sich mitunter stark und bildet an der Meeresoberfläche gelb-braune bis rötliche Blüten, die sich über tausende Quadratkilometer erstrecken und selbst vom Weltall aus erkennbar sind. Das Rote Meer soll dem Phänomen seinen Namen verdanken.

Was Cook vor 250 Jahren nicht wusste: Verantwortlich für die üppige Blütenpracht sind nicht Algen, sondern Cyanobakterien der Gattung Trichodesmium, die auch als «Seesägemehl» (englisch: sea sawdust) bezeichnet werden. Sie kommen zahlreich in tropischen und subtropischen Meeren vor und spielen eine elementare ökologische Rolle, indem sie diese nährstoffarmen Gewässer düngen und so Nahrung für andere Lebewesen liefern.

Damit verbunden ist eine besondere Eigenschaft, die Forschende weltweit fasziniert: Trichodesmium leben als fadenförmige, mehrzellige Individuen, Filamente genannt. Sie kommen aber auch in dynamischen Verbänden vor, in denen hunderte Filamente miteinander interagieren.  

In einer Studie im Fachmagazin Science beschreibt ein Team von Forschenden unter Leitung von ETH-Professor Roman Stocker nun erstmals, wie sich Trichodesmium-Filamente mit einer so einfachen wie effektiven Verhaltensweise zu solchen Aggregaten zusammenschliessen können.

Mikrobielles Multitalent nährt marines Leben

«Die Fähigkeit, Aggregate zu bilden, ist wahrscheinlich der Schlüssel dafür, dass Trichodesmium so häufig vorkommt und so erfolgreich ist», sagt Ulrike Pfreundt, ehemalige Postdoktorandin bei Stocker, dessen Labor am Institut für Umweltingenieurwissenschaften auf das Studium mariner Mikroorganismen spezialisiert ist.

Ihr Kollege Jonasz Slomka, Senior Scientist in Stockers Gruppe, ergänzt: «Trotz ihrer ökologischen Bedeutung war bis anhin nicht bekannt, wie sich diese Aggregate formieren.» Pfreundt und Slomka haben gleichwertig zur Studie beigetragen und teilen sich die Erstautorenschaft.

Cyanobakterien sind Bakterien, die zur Photosynthese fähig sind, und zählen zu den ältesten Lebensformen des Planeten. Sie bauen Biomasse auf und bilden den Anfang des Nahrungsnetzes im Meer. Wenige Arten von ihnen, darunter jene der Gattung Trichodesmium, besitzen zudem die Fähigkeit, im Wasser gelösten elementaren Stickstoff (N₂) in biologisch verwertbares Ammonium (NH₄) umzuwandeln – ein essenzieller Nährstoff, den andere Organismen fürs Wachstum brauchen.

«Indem Trichodesmium Stickstoff verfügbar macht, fördert es das Leben in tropischen und subtropischen Meeren», betont Slomka die Bedeutung der Bakterien.

Aggregate passen sich an ihre Umwelt an

Um das Rätsel der Trichodesmium-Verbände zu ergründen, züchteten die Forschenden das Cyanobakterium in ihrem Labor an der ETH Zürich. Im Gegensatz zu einzelnen Filamenten, die zehnmal dünner sind als ein menschliches Haar, erreichen Aggregate einen Durchmesser von ein bis zwei Millimeter und sind von blossem Auge sichtbar. Ihre charakteristischen Formen, die an «Pompoms» und «Haarsträhnen» erinnern – offenbaren sich aber erst unter dem Mikroskop.

Pfreundt, die seit ihrer Doktorarbeit mit Trichodesmium arbeitete, fiel auf, dass Aggregate im Tagesverlauf ihre Erscheinung verändern, «was auf einen aktiven Prozess hindeutet», erzählt die Meeresbiologin, die ein ETH Zurich Postdoctoral Fellowship erhielt, um der Sache nachzugehen. In der Folge untersuchten Pfreundt und Slomka, ob und wie die Verbände auf Umwelteinflüsse wie wechselnde Lichtverhältnisse reagieren.

Die Reaktion fiel rasch und deutlich aus: Innerhalb weniger Minuten auf den Umweltreiz begannen die Aggregate ihre Form zu verändern. Im Licht zogen sie sich zusammen, im Dunkeln entspannten sie sich. Die Reaktionen waren reversibel – die Aggregate kehrten nach einem Lichtreiz jeweils ungefähr in ihre vorherige Struktur zurück.

Pfreundt vermutet, dass die Mikroorganismen im freien Ozean in ähnlicher Weise auf schwankende Sonneneinstrahlung reagieren. «Intensives Sonnenlicht kann die Zellen schädigen – daher verdichten sich die Aggregate, um die Lichtmenge zu reduzieren.»

Einfaches Verhalten steuert die Aggregatsstruktur

Aggregate verleihen Trichodesmium Fähigkeiten, die einzelnen Filamenten fehlen und gerade bei der Nährstoffsuche vorteilhaft sind. Studien wiesen darauf hin, dass Aggregate eisenhaltigen Staub einfangen können, um ihren erhöhten Eisen-Bedarf für die Stickstoff-Fixierung zu decken. Zudem können Aggregate im Vergleich zu Filamenten viel schneller absinken und auftauchen, um Phosphat und andere Nährstoffe aus der Tiefe zu holen.

«Wir geheh davon aus, dass Aggregate im Ozean ständig ihre Form verändern, um ihren Auftrieb, ihre Lichtaufnahme oder die Mikroumgebung im Aggregatinnern zu kontrollieren», sagt Pfreundt, «wobei all diese Umformungen auf elegante Weise durch ein einfaches dezentrales Verhalten der Filamente vermittelt werden.»

Das Team stellte fest, dass einzelne Filamente aneinander gleiten können, wobei sie sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen – ähnlich wie zwei kreuzende Züge. Wenn die Filamente weitergleiten, verlieren sie ihre Überlappung wieder und gehen auseinander.

Mittels Videomikroskopie und mathematischen Modellen wiesen die Forschenden nach, dass einzelne Filamente in einem Aggregat ständig aneinander gleiten und die Richtung wechseln, wenn ihre Überlappung abnimmt – ein aktives Verhalten, das ihnen erlaubt, zusammen zu bleiben und sich zu bewegen. «Wenn die Filamente früher umkehren, überlappen sie stärker, und das Aggregat zieht sich zusammen. Kehren sie verzögert um, lockert sich die Struktur», erklärt Slomka.

Wie die Forschenden in ihrer Studie darlegen, reichen solche «intelligenten Umkehrungen» (englisch: smart reversals) aus, um organisierte Aggregate zu bilden und umzuformen. Einzelne Filamente passen dabei lediglich ihre Überlappung mit den Nachbarfilamenten an. So steuern die Filamente über intelligente Umkehrungen das ganze Aggregat ohne zentrale Koordination.

«Das ermöglicht Trichodesmium sein reichhaltiges Portfolio an Anpassungsstrategien und letztlich seine ökologische Rolle», resümiert Slomka, der nun mit einer der begehrten Ambizione-Förderungen des Schweizerischen Nationalfonds eine eigene Gruppe am Institut für Umweltingenieurwissenschaften aufbaut.

Schlüsselrolle für marine Kohlenstoffspeicher

Doch Trichodesmium ist nicht nur wegen seiner Ökologie und seines Verhaltens interessant. «Es beeinflusst auch massgeblich den Kohlenstoffkreislauf im Meer», merkt ETH-Professor Stocker an.

Trichodesmium stellt bis zu 60 Prozent der marinen Stickstofffixierung und fördert damit die Aufnahme von Kohlenstoff aus CO₂ durch Photosynthese von Phytoplankton und Algen. Ein Teil dieser Biomasse sinkt ab und wird im Meeresboden eingelagert, was den Klimawandel mindert.

«Das Verständnis, wie sich Mikroorganismen verhalten, kann uns entscheidend helfen, die künftige Rolle der Ozeane in einem sich wandelnden Klima abzuschätzen», sagt der Umweltingenieur.