Archaea (Urbakterien)

Die Archaea werden nach ihrer genetischen Verwandtschaft in zwei Hauptlinien, die Euryarchaeota und die Crenarchaeota, unterteilt.

Euryarchaeota
  • Methanbildende Archaebakterien (methanogene bzw. methanbildende Bakterien), z. B. Methanococcales
  • Sulfatreduzierende Archaebakterien, z. B. Archaeoglobales
  • Extrem thermophile Formen, z. B. Thermococcales (Schwefelverwerter)
  • Extrem halophile Archaebakterien, z. B. Halobacteriales (Halobakterien)
  • Zellwandlose Archaebakterien, z. B. Thermoplasmales
Crenarchaeota
  • Extrem thermophile Archaebakterien und verwandte Arten; Schwefelverwertende Archaebakterien, z. B. Desulfurococcales (schwefeloxidierende Bakterien und Schwefelreduzierer)


Anhand molekuargenetischer Untersuchungen (Sequenzanalyse von 16S-rRNA) von untersuchten Proben aus heißen Quellen des Yellowstone-Parks in den USA aus dem Jahr 1994 konnte man noch nicht kultivierbare Archaeastämme nachweisen, die vermutlich einer dritten Abstammungslinie (Korarchaeota) zuzuordnen sind. Das kleinste bisher entdeckte Archaeum, Nanoarchaeum equitans ist ein nur 400 nm großer Prokaryont, der anderen Archäen aufsitzt (lat. equitans = reitend) und mit diesen parasitisch oder symbiotisch verbunden ist. Das Mini-Archaeum wurde 2002 von KARL OTTO STETTER von der Universität Regensburg an heißen untermeerischen Quellen im Mittelmeer entdeckt. Die Sequenzierung seines Genoms ergab eine Größe von nur 490 kb. Dies und einige genetische Besonderheiten haben STETTER veranlasst, den Organismus einem eignenen vierten Stamm der Archänen, den Nanoarchaeota, zuzuordnen.

Viele Archaea stellen Anpassungsformen an extreme Lebensräume dar, wie sie vielleicht für den Urzustand der Biosphäre charakteristisch waren und wie sie sich in gewissen Modifikationen an Spezialstandorten bis heute erhalten haben. Die stark isolierte Stellung der heutigen Gruppen spricht für ihre Reliktnatur, eine „Erinnerung“ an die Anfänge des Lebens auf der Erde. Aber auch in „ganz normalen“ Biotopen, wie dem Meerwasser oder sogar als Bewohner des menschlichen Körpers kann man Archäen-Arten finden.

Man kennt heute mehr als hundert verschieden Archaea, doch dürfte diese Zahl in Zukunft noch stark ansteigen. Sie besiedeln extremste Lebensräume. Nach ihrer Genausstattung kann man die Archaea in die oben genannten Gruppen einteilen.

Nach ihrem Vorkommen und ihren biochemischen Leistungen werden im Allgemeinen drei Hauptgruppen unterschieden:

  • Die methanogenen Archaea reduzieren Kohlenstoffdioxid mithilfe von Wasserstoff zu Methan. Diese Anaerobier sind sehr empfindlich für Sauerstoff. Sie leben in Sümpfen und in den Sedimenten stehender Gewässer (Faulschlamm). Die verschiedenen Vertreter sind sehr unterschiedlich geformt und haben recht unterschiedliche Zellhüllen, die aus Proteinen oder Polysacchariden bestehen können. Praktische Bedeutung haben Methanogene in der Abwasseraufbereitung und für die Gewinnung von Biogas aus organischen Abfällen. Im Pansen der Widerkäuer und im Darm anderer Tiere, die sich vorwiegend von Zellulose ernähren, spielen Methanogene eine wichtige Rolle.
  • Die extrem thermophilen schwefelabhängigen Archaea sollen der Ursprungsgruppe besonders nahestehen. Die Zellen von Pyrodictium ocultum sind scheiben- bis schüsselförmig und haben einen Durchmesser bis zu 2,5 µm. Ihr Wachstumsoptimum erreichen sie bei 100 °C, sie halten aber auch noch Temperaturen bis 110 °C aus. Wasser mit derart hohen Temperaturen bleibt nur unter Druck, z. B. am Meeresboden oder in der Tiefe von Solfaterenfeldern flüssig. Pyrodictium ist anaerob und reduziert Schwefel zu Schwefelwasserstoff. Thermoplasma acidophilum wurde aus schwelenden Kohlehalden und heißen Quellen isoliert. Diese zellwandlosen Bakterien haben ein Wachstumsoptimum bei etwa 60 °C und einem pH-Wert zwischen 1 und 2.

    Nahe der großen Bruchzonen der Ozeane befinden sich auf dem Meeresgrund mehrere Meter hohe „Schornsteine“, aus denen tiefschwarzes Wasser quillt. Diese Schlote werden daher auch als Black Smoker bzw. schwarze Raucher bezeichnet. Die Wassertemperatur an diesen Quellen beträgt über 100 °C, kocht aber aufgrund des hohen Drucks in der extremen Tiefe nicht.
    An diesen Schloten tummelt sich überraschenderweise auch ohne Licht und Luft allerhand Leben. Würmer, Muscheln und Krebse leben mit den Archaebakterien in Form einer Lebensgemeinschaft (Biozönose) zusammen. Die Archaebakterien nutzen den im Quellwasser enthaltenen Schwefelwasserstoff, oxidieren ihn, gewinnen auf diese Weise Energie und stellen gleichzeitig Wasserstoff aus ihm her, der wiederum für die Reduktion des Kohlenstoffdioxids im Calvin-Zyklus benötigt wird.

    Bei diesen Wasserquellen handelt es sich um Wasser, das in die, durch geotektonische Bewegungen aufgelockerte, Erdkruste eingetreten ist. Die vulkanische Aufheizung des Wassers bewirkt dabei aufgrund der hohen Temperaturen ein Lösen der Gase und Salze des Vulkangesteins. Erreicht das Wasser das Tageslicht kühlt es sich ab und die gelösten Salze fallen aus. Dieser Vorgang bewirkt die Entstehung der Schlote. Da die entstandenen Ablagerungen reichhaltig an Salzen wertvoller Metalle sind (Erzvorkommen), wurde der Meeresboden in den letzten Jahrzehnten gründlich erforscht. Sollten diese Tiefseeerzvorkommen für die Erzgewinnung genutzt werden, wären diese außergewöhnlichen Biotope ernsthaft in Gefahr.

Die extrem halophilen Archaea leben an sehr salzhaltigen Orten wie im Toten Meer, im Großen Salzsee in den Vereinigten Staaten oder in Meerentsalzungsanlagen. Durch den Farbstoff Bacteriorhodopsin bilden sie purpurrote Kolonien. Halobacterium halobium benötigt für das Wachstum mindestens 12 % Natriumchlorid. Das Temperaturoptimum liegt zwischen 40 und 45 °C. Mithilfe des Farbstoffs können die Halobakterien einen Wasserstoffgradienten an ihrer Zellmembran aufbauen, der der ATP-Gewinnung dient (Photergie).

Black Smoker

Black Smoker

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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