Nostoc – der älteste Landbewohner

Auf der Erde vor 2,5 Milliarden Jahren - mit Blaugrünen Bakterien

Auf der Erde vor 2,5 Milliarden Jahren – mit Blaugrünen Bakterien (Fotos und Kombination W.Probst 2014)

Die Bakteriengattung Nostoc wurde von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) zur Mikrobe des Jahres 2014 gewählt.

http://mikrobe-des-jahres.de/content/nostoc/index.html

Vor zweieinhalb Milliarden Jahren

Ein ET landet vor zweieinhalb Milliarden Jahren auf der Erde. Es gibt keine Wälder und keine grünen Wiesen. Aber ganz ohne Bewuchs sind Berge und Täler nicht. Auf feuchten Sand- und Schotterflächen finden sich große Mengen von schwärzlichen Krusten. Wenn ein Regenguss diese Krusten aufweicht , quellen sie zu olivgrünem Glibber auf. Seine Messinstrumente zeigen dem Außerirdischen, dass es sich bei diesem Glibber um Lebewesen handelt. Sie gewinnen ihre Lebensenergie indirekt aus dem Sonnenlicht, indem sie Teile der Sonnenstrahlen (elektromagnetische Wellen) der Sonne nutzen, um das in der Atmosphäre reichlich vorhandene Kohlenstoffdioxid in energiereiche Kohlenhydrate zu verwandten. Die energiereichen Verbindungen, die beim Abbau dieser Kohlenhydrate in den kleinen in eine gallertige Substanz eingebetteten Zellketten dieser Lebewesen gebildet werden, dienen auch dazu, die Stickstoffmoleküle aus der Atmosphäre zum Aufbau von Aminosäuren und Proteinen zu assimilieren.

Stickstmoffassimilation und Kohlenstoffassimilation laufen parallel in verschiedenen Zellen ab. Dabei muss die Heterocystenzellwand für O2-Moleküle ziemlich dichtsein, denn die Nitrogenase ist extrem sauerstoffempindlich

Stickstmoffassimilation und Kohlenstoffassimilation laufen parallel in verschiedenen Zellen ab. Dabei muss die Heterocystenzellwand für O2-Moleküle ziemlich dicht sein, denn die Nitrogenase ist extrem sauerstoffempindlich.

Der olivfarbene Glibber ist „photolithoautotroph“:
autotroph = nicht auf organische Betriebsstoffe angewiesen
photo- = Licht dient als Energiequelle
litho- = Kohlenstoff stammt aus anorganischen Material

Die ersten Landlebewesen

Im Allgemeinen wird angenommen, dass die ersten Lebewesen, die vom Wasser- zum Landleben übergegangen sind, aus Grünalgen entstandene moosähnliche Pflanzen waren, und dass ihr Landgang vor etwa 450 Millionen Jahren begonnen hat. Man kann aber durchaus davon ausgehen, dass auch schon kernlose Lebewesen, also Bakterien und Archäen, Lebensformen entwickelten, die an das Landleben angepasst waren, wie sie dies heute noch sind. Ob dies – wie in der Einleitung angenommen – schon vor zweieinhalb Milliarden Jahren möglich war, oder wegen der zunächst noch sehr hohen UV-Strahlung erst deutlich später, ist nicht sicher.

Ein solches ursprüngliches Landlebewesen ist das Blaugrüne Bakterium Nostoc commune , dessen bis zu Handteller große Kolonien man auf offenen, mageren Böden auch heute noch finden kann.

Kolonie von Nostoc commune

Kolonie von Nostoc communem (feucht)

Kolonie von Nosatoc commune (ausgetrocknet)

Kolonie von Nostoc commune (ausgetrocknet)

Bei feuchtem Wetter bilden sie unregelmäßige, schleimige Klumpen, bei Trockenheit papierdünne schwärzliche Krusten. Es handelt sich also um ausgesprochen wechselfeuchte (poikylohydre) Lebewesen, die vollständige Austrocknung sehr gut ertragen und lange überdauern können (Anhydrobionten). Sie produzieren eine dicke äußere Hülle aus quellfähigen Polysacchariden (Mehrfachzuckern), die bei Feuchtigkeit ein glibbriges Substrat abgeben, in welchem die Zellketten dann auf dem Land unter wasserähnlichen Bedingungen leben können. Nostoc punctiforme ist ein terrestrisches Bakterium dass man frei lebend im Boden sowie in Symbiose mit verschiedenen Pflanzenarten finden kann, zum Beispiel bei Hornmoosen, Lebermoosen, Cycadeen (Wedelnacktsamer, „Palmfarne“) und dem Mammutblatt (Gunnera).
Auch andere Blaugrüne Bakterien (Cyanobacteria) sind Landbewohner. So sind sie zum Beispiel wichtige Bestandteile der mikrobiellen Krusten von Wüstenböden und der Tintenstriche an Kalkfelsen.

Für alle Cyanobakterien gilt, dass sie wie Algen und Pflanzen mithilfe von Lichtenergie zur Assimilation von Kohlenstoffdioxid in der Lage sind, wobei Wasser als Elektronendonator dient. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt. Viele Cyanobakterien können darüber hinaus das Luftstickstoffmolekül assimilieren, das heißt, in organische Verbindungen einbauen. Diese Fähigkeit kommt nur bei kernlosen Lebewesen (Prokaryota) vor, zellkernhaltige Lebewesen (Eukaryota) zu sind hierzu grundsätzlich nicht in der Lage.

Zellifferenzierung

Nostoc-Zellkette mit Heterocyste

Nostoc-Zellkette mit Heterocyste

Wenn Zellen eines Lebewesens sich nach ihrer Teilung nicht trennen sondern zusammenbleiben größere Aggregate bilden, die einzelnen Zellen aber untereinander gleich sind, spricht man von „ZelKolonien“. Kommt es aber zu einer Differenzierung in verschiedene Zelltypen mit unterschiedlichen Funktionen, spricht man von Vielzellern. Ein Rostock und einigen anderen Blaugrünen Bakterien kann man eine solche Zelldifferenzierung beobachten, weshalb man sie als bakterielle Vielzeller auffassen kann: Die Nostoc-Zellketten bestehen aus „normalen“, Fotosynthese betreibenden Zellen, Stickstoff assimilierenden Heterocysten, der Überdauerung dienenden, sporenähnlichen Akineten und der Fortbewegung dienenden Hormogonien.

Zellkommunikation

Die einzelnen Zellen eines Nostoc-Zellfadens stehen über Nanoporen miteinander in Verbindung. Durch diese Poren stellen Multiproteinkomplexe die Brücken zwischen den Zellen her, durch die Signalstoffe und andere Stoffwechselprodukte transportiert werden können.

„Sternenrotz“

Sternenrotz am Straßenrand

Sternenrotz am Straßenrand

Die Kolonien von Nostoc commune sind schon den Menschen früherer Zeiten aufgefallen und sie haben sich Gedanken über ihre Entstehung und Herkunft gemacht. Der Name „Nostoc“ soll auf den Arzt und Alchemisten Paracelsus (1493-1541) zurückgehen, der die Gallerthüllen für einen „Sternenschnupfen“ hielt und daher angeblich das englische Wort nostril und die deutsche Übersetzung Nasenloch zu Nost-och verband. Andere Volksnamen sind zum Beispiel Erdgallerte, Zitteralge, Schleimling, Wetterglitt, Pockensnot, Sternschnupfen, Sternschnuppe, Sternschott, Sternräuspen, Sternschnäuze, Sternenrotz, Sternglugge, Hexenkaas, Hexendreck, Hexengespei, Leversee, Lebersee, Libbersee (Marzell ). Einige dieser Namen gehen auf die Vorstellung zurück, dass es ein „Lebermeer“ aus gallertigem Wasser gibt, in dem die Schiffe nicht vorankommen und die Gallertklumpen von Nostoc hielt man für Abkömmlinge dieses „geronnenen Meeres“.

Essbar

Mancherorts wurde und wird Nostoc als Nahrungsmittel genutzt. „Cushuru“ ist ein proteinhaltiges und eisenreiches Nahrungsmittel in den peruanischen Anden, das auf die Inkas zurückgeht. Auch in China ist Nostoc unter dem Namen „Ge-Xian-Mi“ als Nahrungsmittel bekannt.
Neuerdings versucht man auch, Medikamente aus Nostoc zu gewinnen. So befinden sich derzeit Substanzen gegen Krebskrankheiten oder HI-Viren in der Entwicklung. Auch für die Herstellung von Biokraftstoffen könnten Cyanobakterien künftig eine Rolle spielen.

Energiestoffwechsel der Lebewesen – Ein Wechselspiel zwischen Leben und Umwelt

Mit „Global Change“ oder Klimawandel bezeichnet man heute einen globalen Vorgang, bei dem ein Lebewesen, der Mensch, durch seine Aktivitäten die Umwelt so verändert, das sich die Umweltbedingungen auch für ihn ändern. Dieses Wechselspiel zwischen Leben und Umwelt ist allerdings so alt wie das Leben selbst. Als vor etwas weniger als 4 Milliarden Jahren auf der erstarrten Erdoberfläche die ersten Lebewesen entstanden und Stoffe aufnahmen und andere abgaben und dabei Lebensenergie gewannen (also Stoffwechsel machten), wurden die nützlichen Stoffe selten und die Abfallstoffe nahmen zu. So wäre ein schnelles Ende absehbar gewesen, wären nicht die Abfallstoffe zu Ausgangsstoffe anderer Lebensformen geworden, sodass es zu Rückkoppelungsschleifen kam.
Trotz solcher Recyclingprozesse waren die Grenzen für Leben so lange relativ eng gesteckt, bis als Abfallprodukt der Photosysthese auf Wasserbasis (Photolithoautotrophie) vor etwa 2,7 Milliarden Jahren ein Durchbruch erreicht wurde. Durch die Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre wurde die Versorgung mit freier Energie für die Lebewesen wesentlich einfacher. Diese Form der Photosynthese führte dazu, dass vor etwa 2,2 Milliarden Jahren die Atmosphäre einen so hohen Sauerstoffgehalt hatte, dass aerobe Atmung möglich wurde.

Litertatur/Quellen

Engelhardt, H. (2014): Nostoc – Multitalent mit bewegter Vergangenheit.
Biospektrum , S. 226-227
Flores, E./Herrero, A. (2014): The Cell Biology of Cyanobacteria. Norfolk(UK): Caister Academic Press
Maldener, I. (2014): Nostoc – ein prokaryotischer Vielzeller. Biologie in unserer Zeit 44(5), S. 304-311
Probst, W. (2004): Was Cyanos alles können – Entdeckungen an einer vergessenen Bakteriengruppe. Unterricht Biologie Heft 299 (28. Jg.), S. 40-46, Seelze: Friedrich                      Ward, P./Kirschvink, J. (2015): A new history of life.The radial new discoveries about origin and evolution of life on earth. London/New Dehli … Bloomsbury

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