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Uralt und immer wieder Pionier: Blaugrüne Felskugel ist Alge des Jahres 2017

04.01.2017

Algenforscher haben die Blaugrüne Felskugel Chroococidiopsis zur Alge des Jahres 2017 gekürt. Der Einzeller lebt in Steinen und Flechten, trotzt Extrembedingungen und erschließt lebensfeindliche Orte. Für die Blaugrüne Felskugel, die zu den Cyanobakterien zählt und wie alle Algen von Sonnenlicht lebt, interessieren sich Ökologen, Biotechnologen, Wüsten- und Weltraumforscher. Prof. Dr. Burkhard Büdel von der TU Kaiserslautern erforscht sie seit mehr als 30 Jahren. Er ist Mitglied der Sektion Phykologie der Deutschen Botanischen Gesellschaft, in der die Algenforscher organisiert sind, die dieses Jahr zum zehnten Mal eine Alge des Jahres vorstellen.

Pionierarbeit an Extremstandorten


Nach dem Aufbrechen der Beacon-Sandstein genannten Felsformation in der Antarktis wird die in den obersten Millimetern lebende Blaugrüne Felskugel (Chroococcidiopsis) sichtbar (siehe Pfeile).

Foto: Burkhard Büdel, TU Kaiserslautern


Verwitternder Beacon Sandstein der Linnaeus Terrace genannten Region in den Trockentälern der Antarktis in 1250 m Höhe. Unter dessen Oberfläche lebt die Blaugrüne Felskugel in eisiger Kälte.

Foto: Burkhard Büdel, TU Kaiserslautern

Lebensfeindliche Orte kann die Blaugrüne Felskugel als erstes und zunächst oft einziges Lebewesen besiedeln, weil sie nicht nur hohe und niedrige Salzkonzentrationen und UV-Strahlung aushält, sondern auch weil sie auch ein breites Temperaturspektrum verkraftet. „Wir haben Chroococcidiopsis sowohl in den obersten drei bis vier lichtdurchlässigen Millimetern in Granit, Marmor und Sandsteinen als auch in den trockenen Böden der Wüsten und in heißen Quellen gefunden“, schildert Büdel.

„Das Cyanobakterium kommt auf allen Kontinenten vor: in Europa, der Arktis und der Antarktis, in der afrikanischen Namib-Wüste, auf dem australischen Uluṟu, früher Ayers Rock genannt, im US-amerikanischen Grand Canyon und in Asien in den Wüsten Gobi und Taklamakan sowie hypolithisch, unter Quarzkieseln in der hochgelegenen Tundra Tibets. Flechten auf tropischen Inselbergen haben es als photosynthesetreibenden Symbionten.“

Außerdem übersteht der nur wenige Tausendstel Millimeter große Einzeller ausgezeichnet Wassermangel. So könne er sogar dann noch überleben, wenn es wegen vorübergehender Austrocknung an nur fünf bis sechs Tage im Jahr aktiv sein kann, schildert Büdel. Benetzt man das Cyanobakterium wieder mit Wasser, sind die Photosynthesepigmente nach nur 15 Sekunden wieder aktiv; nach weiteren 10 bis 20 Minuten läuft die gesamte Photosynthesemaschinerie wieder.

Photosynthese in und unter Steinen

Die blaugrüne Felskugel kommt darüber hinaus mit extrem wenig Licht aus, dank der für alle Blaualgen typischen Farbstoffe, der sogenannten Phycobiline. Mit Hilfe dieser Pigmente können viele Cyanobakterien an sehr dunklen und lichtarmen Standorten das wenige zur Verfügung stehende Licht optimal für die Photosynthese ausnutzen.

„Die Blaugrüne Felskugel benötigt nur ein Zehntel der Lichtmenge eines trüben Wintertages und weniger als ein Fünfunddreißigstel der Menge eines sonnigen Sommertages“, veranschaulicht Büdel. Mit ihren Lichtsammelpigmenten könne es daher noch unter der Steinoberfläche Photosynthese betreiben, an einem Ort also, am dem viele andere Lebewesen die Sonne nicht mehr zur Energiegewinnung nutzen können.

Schafft neuen Lebensraum

„Da die Blaugrüne Felskugel den Stickstoff der Luft aufnehmen und in eigne Zellsubstanz, Ammonium, umwandeln kann und sogar Phosphor aus abgestorbenen Zellen recyceln kann, stellt sie lebenswichtige Elemente in ansonsten nährstoffarmen Orten zur Verfügung“, erklärt Büdel. Auf die Blaugrüne Felskugel folgen dann nach und nach andere Organismen und langsam entwickeln sich so auch an unwirtlichen Orten belebte Bodenkrusten. Das Cyanobakterium bereitet so den Boden für andere Lebewesen auf und wird in der Ökologie daher zu den Bodenbildnern gezählt.

Natur und Labor

In der Natur erkennt Büdel die Blaugrüne Felskugel mit einem Lichtmikroskop und überprüft die erste Bestimmung später im Labor mit molekularbiologischen Methoden. Zur weiteren Bestimmung und für Experimente hat er die Algen, die im Freiland nur gemeinsam mit anderen Mikroorganismen vorkommen, isoliert und Kulturen angelegt. Hinterlegt hat er seine Funde unter anderem in der Göttinger Sammlung Algenkulturen (SAG).

In der dortigen Biobank für Mikroalgen, eine der größten Algenkulturensammlungen der Welt, werden über 2500 Referenzstämme kultiviert und erforscht. „Unsere Kulturen, die wir auch weltweit an Forschungs- und Lehrinstitute verschicken, ermöglichen es allen Forschenden, gezielt mit Referenzstämmen zu arbeiten“, sagt Dr. Maike Lorenz, Kuratorin der Göttinger Algensammlung. „Und das sogar noch nach vielen Jahren, wenn etwa inzwischen neue Analysemethoden entwickelt wurden oder frühere Ergebnisse überprüft werden sollen."

Cyanobakterien schufen einst die heutige Atmosphäre

Wie genetische Untersuchungen ergaben, ist die Blaugrüne Felskugel ein sehr ursprüngliches Cyanobakterium und stammesgeschichtlich sehr alt. „Vermutlich hat sich die Gattung bereits vor rund zwei Milliarden Jahren entwickelt, folgern die Genetiker aus ihren Untersuchungen. Sie erinnert daher an sehr ursprüngliche Formen von Cyanobakterien“, erklärt Chroococcidiopsis-Spezialist Büdel. Cyanobakterien begannen vor etwa 2,4 Milliarden Jahren, Sauerstoff in nennenswerter Menge in die Atmosphäre zu entlassen, die vorher weniger als ein Promille Sauerstoff enthielt. Im Folgenden stieg der Sauerstoffgehalt der Uratmosphäre auf die heutigen rund 20 Prozent.

„Während dieser zwei Milliarden Jahre waren Cyanobakterien, die so ähnlich waren wie die Blaugrüne Felskugel, vermutlich die unangefochtenen Herrscher des Planeten“, sagt Büdel. Sie vertrieben die ursprünglichen sauerstoffunverträglichen (anoxygenen) Bakterien und begannen so alle Lebewesen auf der Erde entscheidend zu verändern. Die sich später entwickelnden Organismen fanden durch die Pionierarbeit der Cyanobakterien aber nicht nur den Sauerstoff zum Atmen vor. Die sich bildende Ozonschicht absorbierte auch immer besser schädliche UV-Strahlung, die ihre Erbsubstanz schädigte. Dies war eine wichtige Voraussetzung für die weitere Evolution des Lebens auf der Erde, insbesondere für die Eroberung des Landes.

Entwicklungshilfe für andere Lebewesen

Auch später leisteten Cyanobakterien einen wichtigen Beitrag zur weiteren Evolution der Lebewesen. Denn Grün- und Rotalgen, Moose und höhere Pflanzen können nur deshalb Sonnenlicht zur Energiegewinnung nutzen, weil sie sich in früherer Zeit selbst ein Photosynthese treibendes Cyanobakterium einverleibt hatten. Wie dies einst vonstattenging, wird auch heute noch intensiv erforscht. Ohne Cyanobakterien hätten sich viele Lebensformen, die wir heute kennen, wohl niemals entwickelt; ohne sie gäbe es weder Pflanzen noch die den Sauerstoff atmenden Tiere.

Blaugrüne Felskugel in der Weltraumforschung

Seine heute noch zu beobachtende Unverwüstlichkeit und seine Fähigkeit neuen Lebensraum zu erschließen machte die Blaugrüne Felskugel Chroococcidiopsis zu einem Kandidaten, den die NASA auf den Mars ansiedeln wollte. In den 80er und 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts überlegten NASA-Mitarbeiter, dass Chroococcidiopsis gemeinsam mit vier weiteren Mikroorganismen vermutlich bestens geeignet wäre, den roten Planeten erdähnlicher zu machen und dessen Atmosphäre mit Sauerstoff anzureichern.

„Inzwischen ist man von dem ‘Terraforming Mars‘ genannten Vorhaben zum Glück wieder abgerückt, weil man den Mars nicht mit für ihn fremden Organismen kontaminieren will“, sagt Büdel. Weltraumforscher und Biotechnologen bestellen aber nach wie vor reine Chroococcidiopsis-Stämme bei den Göttinger Algen-Kultivatorinnen. Das dürfte auch daran liegen, dass Cyanobakterien und Algen aussichtsreiche Kandidaten sind, eines Tages in abgeschlossenen, lebenserhaltenden Systeme Sauerstoff auch an erdfernen Orten zu produzieren.

Ökologischer Forschungsfokus

Die genügsame Blaugrüne Felskugel ist gemeinsam mit anderen Cyanobakterien und Algen Forschungsgegenstand von Ökologen, Systematikern und anderen Bodenkrustenforschern wie Büdel. Ihn interessiert, welche einzelnen Arten der Blaugrünen Felskugel in den verschiedensten Bodenkrusten vorkommen, wie sie an extremen Orten Photosynthese treiben, wachsen und sich vermehren. Besonderes Augenmerk legt er darauf, wie die Blaugrüne Felskugel, Cyanobakterien und andere Algen Steine und Wüstenboden erschließen, ihre Umgebung für andere Organismen bereiten und damit Geburtshelfer bei der Entstehung neuer Ökosysteme sind. Gleichzeitig vermag sie auch die Wüstenbildung aufzuhalten. In Langzeitstudien will Büdel außerdem klären, ob und wie sich die Cyanobakterien der Arktis und der Antarktis im Zuge des Klimawandels anpassen und an welchen lebensfeindlichen Orten unseres Planeten er im Laufe seiner Forschung noch auf Chroococcidiopsis stoßen wird.

Weitere Bilder auf der Website der Sektion Phykologie:
http://dbg-phykologie.de/alge-des-jahres/alge-des-jahres-2017.html

Fragen beantworten:
Prof. Dr. Burkhard Büdel
Experte für Chroococcidiopsis und andere Bodenkrustenbewohner
Technische Universität Kaiserslautern
Fachbereich Biologie, Abt. Pflanzenökologie und Systematik
E-Mail: buedel@rhrk.uni-kl.de
Sekretariat: Andrea Brunner
Telefon: 0631 205-2363

Dr. Maike Lorenz
Kuratorin der Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen (SAG) und Schatzmeisterin der Sektion Phykologie
Georg-August Universität Göttingen
Sammlung von Algenkulturen (SAG)
Tel: 0551 39-5740
E-Mail: mlorenz@uni-goettingen.de
Katalog der Algenkulturen: www.epsag.uni-goettingen.de

Informationen über die Sektion Phykologie
Die Sektion ist das größte Netzwerk für Phykologie (Algologie) und Algenforschung im deutschsprachigen Raum (www.dbg-phykologie.de). Als gemeinnützige Gruppe unter dem Dach der Deutschen Botanischen Gesellschaft e.V. (DBG, www.deutsche-botanische-gesellschaft.de) fördert sie Forscherinnen und Forscher und möchte auch Fachfremde für die faszinierende Welt der Algen begeistern. Die Sektion bringt Nachwuchskräfte voran, vereint alle Forschergenerationen und unterstützt den Austausch ihrer Mitglieder.

Katrin Müller | Technische Universität Kaiserslautern
Weitere Informationen:
http://www.uni-kl.de

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