Wissenschaftler sammeln Mikrobenproben im Death Valley Nationalpark. (Ramunas Stepanauskas) Es gibt eine enorme Vielfalt des Lebens gedeiht tief unter der Erdoberfläche . Eine neue Analyse zweier großer Gruppen unterirdischer Mikroben hat nun ergeben, dass ihr evolutionärer Weg zum Leben im Dunkeln merkwürdiger war als erwartet.
In den ersten 2 Milliarden Jahren seines Bestehens gab es keinen Sauerstoff in der Atmosphäre. Einmal Die Luft auf unserem blauen Planeten hat sich verändert Nicht alle Lebensformen haben sich angepasst, und viele Mikroben ziehen sich in weniger sauerstoffreiche Teile des Planeten zurück.
Patescibakterien und DPANN sind zwei allgegenwärtige Gruppen solcher unterirdischen Mikroben – Bakterien bzw. Archaeen –, die offenbar sehr einfache Genome haben. Dies hat viele zu der Annahme geführt, dass diese Mikroben ohne die Fähigkeit, Sauerstoff zu atmen, möglicherweise auf komplexe Interaktionen mit anderen Organismen angewiesen sind, um ihren einfachen Lebensstil zu ergänzen.
Nun scheint es, als würden wir ihnen möglicherweise nicht genug Anerkennung zollen. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die meisten Patescibakterien und DPANN nicht in einer symbiotischen Abhängigkeit von anderen großen Organismengruppen leben, sondern als völlig freie Zellen.
„Diese Mikroben [..] sind wirklich besondere, wirklich aufregende Beispiele für die frühe Evolution des Lebens.“ sagt Ramunas Stepanauskas, der am Bigelow Laboratory for Ocean Sciences mikrobielle Biologie und Evolution studiert.
„Möglicherweise handelt es sich um Überreste uralter Lebensformen, die sich über Milliarden von Jahren im Untergrund der Erde versteckt hatten und dort gediehen.“
Frühere Arbeiten zu Patescibakterien und DPANN haben eine kleine Anzahl von Beispielen in der Nähe der Erdoberfläche, hauptsächlich in Nordamerika, gesammelt. Diese neue Studie geht jedoch tiefer und umfassender als je zuvor und analysiert fast 5.000 einzelne mikrobielle Zellen von 46 Standorten rund um den Globus , darunter ein Schlammvulkan auf dem Grund des Mittelmeers, hydrothermale Quellen im Pazifik und Goldminen in Südafrika.
„Unsere genomischen und biophysikalischen Einzelzellbeobachtungen stützen nicht die vorherrschende Ansicht, dass Patescibakterien und DPANN von Symbionten dominiert werden“, so die Autoren schreiben .
„Ihr unterschiedliches Kodierungspotential, ihre kleinen Genome und ihre kleinen Zellgrößen könnten das Ergebnis eines uralten, primitiven Energiestoffwechsels sein, der ausschließlich auf [Fermentation] beruht.“
Fermentation ist eine der Stoffwechselmöglichkeiten lebender Organismen Glukose abbauen ohne die Hilfe von Sauerstoff, und viele Lebensformen nutzen die Fermentation zur Energiegewinnung, insbesondere die Mikroben, die überhaupt keine Luft atmen.
Allerdings ist die Nutzung der Fermentation weniger effizient als die Atmung – sie produziert nur 2 ATP pro Glukose im Vergleich zu 38 ATP pro Glukose mit aerober Atmung – diese Art des Stoffwechsels bringt also den Preis mit sich, dass Organismen auf die langsame Stoffwechselspur geraten.
Patescibakterien und DPANN kommen damit jedoch gut zurecht. Basierend auf der neuen Analyse enthalten die beiden Gruppen keine Spur einer sogenannten Elektronentransportkette, eines Stoffwechselprozesses, der Energie erzeugt, indem er Elektronen an Sauerstoff abgibt. Ihre relativ einfachen, möglicherweise uralten Überlebenstricks brauchen es einfach nicht.
Genomforschung und direkte experimentelle Tests an Proben, die die beiden Gruppen repräsentierten, ergaben keine Hinweise auf Atmung, und eine genaue Untersuchung der Zell-zu-Zell-Verbindungen ergab, dass die meisten von ihnen isoliert waren und nicht wie einige ihrer Cousins an der Oberfläche an Wirte gebunden waren.
Die Autoren können nicht leugnen, dass einige symbiotische Beziehungen durch den menschlichen Umgang auseinandergerissen worden sein könnten, aber beim Sortieren der Zellen wurde versucht, sie sanft zu vermischen.
Auch wenn das Team die Interaktionen zwischen Zellen unterschätzt, ergab die Genomanalyse im Vergleich zu anderen Phyla keine Hinweise auf eine evolutionäre Bereicherung durch symbiotische Beziehungen.
Der Genominhalt und die Laboranalyse der Zellphysiologie deuten vielmehr darauf hin, dass diese mikrobiellen Gruppen, wenn überhaupt, nur wenige andere Möglichkeiten zur Energieerzeugung als die Fermentation bieten.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Patescibakterien und DPANN alte Lebensformen sind, die möglicherweise nie gelernt haben, wie man atmet“, sagt Stepanauskas.
„Diese beiden Hauptzweige des Evolutionsbaums des Lebens machen einen großen Teil der gesamten mikrobiellen Vielfalt auf dem Planeten aus – und dennoch fehlen ihnen einige Fähigkeiten, die normalerweise von jeder Lebensform erwartet werden.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Grenzen in der Mikrobiologie .