Extremophile Bakterien Magdalena Brunner 25. Mai 2011
Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung
3 Domänen Modell Unterteilung des Tree of Life in 3 Gruppen Unterschiede von rrna Sequenzen als Klassifikationskriterium evolutionärer Stammbaum
3 Domänen Modell Eukaryoten Lebewesen mit Zellkern und Kernmembran meist größere Zellen als Prokaryoten Prokaryoten zelluläre Lebewesen ohne Zellkern Bakterien Archaea: viele extremophile Arten, stehen Eukaryoten sehr nahe
Verschiedene Arten der Extremophilie Thermophilie Psychrophilie/Kryophilie Halophilie Acidophilie und Alkaliphilie Barophilie/Piezophilie Radiophilie
Thermophilie Umweltbedingungen T opt 40 80 C, T max 121 C
Thermophilie Umweltbedingungen T opt 40 80 C, T max 121 C Natürliche Konsequenzen Aufbrechen von chemischen Verbindungen DNA & Proteine Über 75 C Degeneration von Chlorophyll
Thermophilie Umweltbedingungen T opt 40 80 C, T max 121 C Natürliche Konsequenzen Aufbrechen von chemischen Verbindungen DNA & Proteine Über 75 C Degeneration von Chlorophyll Vorkommen Geysire, hydrothermale Quellen (Black Smokers)
Thermophilie Organismen Pyrolobus fumarii, Strain 121 (Archaea) Pompeji Wurm (Eukaryoten)
Alvinella Pompejana (Pompeji Wurm) Gattung: Alvinella, Eukaryoten Lebensraum: hydrothermale Quellen, östlicher Pazifischer Ozean Merkmale und Lebensweise: 10 bis 13cm lang, weiß-grau symbiotische Bakterienkolonien In Röhren an Black Smokers 80 C Ruhezustand für Eier bei zu niedriger Temperatur
Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10 C bis 20 C, T opt 15 C
Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10 C bis 20 C, T opt 15 C Natürliche Konsequenzen Gefrieren von zelleigenem Wasser erstarrte Zellmembran Frostschutzmittel (z.b. Glycerin), ungesättigte Fettsäuren in der Zellmembran
Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10 C bis 20 C, T opt 15 C Natürliche Konsequenzen Gefrieren von zelleigenem Wasser erstarrte Zellmembran Frostschutzmittel (z.b. Glycerin), ungesättigte Fettsäuren in der Zellmembran Vorkommen Arktis, Antarktis; eingeschlossen in Flüssigkeitsbläschen in tiefen, kalten Wasserschichten von Ozeanen
Psychrophilie/Kryophilie Organismen Chlamydomonas nivalis (Algen, Eukaryoten) Flavobacterium islandicum (Bakterien) Methanogenium frigidum (Archaea)
Chlamydomonas nivalis (Schneealge) Gattung: Chlamydomonas, Grünalgen, Eukaryoten Lebensraum: Schnee/Eis; polare Gebiete und Gebirge Merkmale und Lebensweise: 10 bis 20µm große Zellen rote Färbung wegen Carotinoiden Schutz vor intensiver UV-Strahlung
Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung)
Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung) Natürliche Konsequenzen Wasserverlust der Zellen Beeinträchtigung der Stoffwechselprozesse Regulation der zelleigenen Salzkonzentration
Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung) Natürliche Konsequenzen Wasserverlust der Zellen Beeinträchtigung der Stoffwechselprozesse Regulation der zelleigenen Salzkonzentration Vorkommen Salzseen, Verdunstungsbecken, Küstenstreifen
Organismen Halobacterium (Archaea) Dunaliella (Eukaryoten)
Halobacterium Gattung: Archaea Lebensraum: saline Gebiete mit Salzkonzentrationen bis zu 5.2Mol Merkmale und Lebensweise: Aerob oder anaerob ausgefallene Zellformen möglich (Rechtecke, Dreiecke) Bacteriorhodopsin als Protonenpumpe zur Energiegewinnung
Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen ph Wert < 3 oder ph Wert > 9
Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen ph Wert < 3 oder ph Wert > 9 Natürliche Konsequenzen Instabilität von Proteinen und DNA gestörte Biochemie Zu hohe oder verminderte Reaktionsfähigkeit von H + Ionen ph Wert im Cytoplasma neutral gehalten, angepasste Protonen-Pumpen-Effizienz
Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen ph Wert < 3 oder ph Wert > 9 Natürliche Konsequenzen Instabilität von Proteinen und DNA gestörte Biochemie Zu hohe oder verminderte Reaktionsfähigkeit von H + Ionen ph Wert im Cytoplasma neutral gehalten, angepasste Protonen-Pumpen-Effizienz Vorkommen Acidophile: vulkanische Böden, Abwasser von Metallgewinnung Alkaliphile: carbonathaltige Böden, Sodaseen
Acidophilie und Alkaliphilie Organismen Acidophile: Acidobacterium (Bakterien), Sulfolobus (Archaea) Alkaliphile: Spirulina (Bakterien), Nitrobacter (Bakterien)
Sulfolobus acidocaldarius Gattung: Archaea Lebensraum: hydrothermale Quellen, Vulkane Merkmale und Lebensweise: Aerob, chemoautotroph lebt bei 75 C und ph Werten von 2-3 oxidieren Eisen, Schwefel, Schwefelwasserstoff und Schwefelsäure
Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck
Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck Natürliche Konsequenzen Verdichtung der Lipide in den Membranen verminderte Membran-Fluidität
Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck Natürliche Konsequenzen Verdichtung der Lipide in den Membranen verminderte Membran-Fluidität Vorkommen Tiefsee
Inhalt 3 Doma nen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilita t Zusammenfassung Barophilie/Piezophilie Organismen Photobacterium profundum (Bakterien) Pyrococcus (Archaea)
Photobacterium profundum Gattung: Bakterien Lebensraum: Tiefsee Merkmale und Lebensweise: optimales Wachstum bei 9-15 C und 0.1-70MPa 2-4µm lang
Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung)
Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung) Natürliche Konsequenzen Schäden an der DNA Verhinderung der Replikation
Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung) Natürliche Konsequenzen Schäden an der DNA Verhinderung der Replikation Vorkommen Hochgebirge, Abwasser von Atomreaktoren
Radiophilie Organismen Cryptococcus neoformans (Eukaryoten) Deinococcus radiodurans (Bakterien)
Deinococcus radiodurans Gattung: Bakterien Lebensraum: Radioaktives Kühlwasser von Atomreaktoren, menschlicher Darm, antarktisches Gestein Merkmale und Lebensweise: Nahezu immun gegen ionisierende Strahlung Perfektionierter DNA-Reparaturmechanismus Starke Zellwand, 4 bis 10 Kopien des Genoms
Zusammenhang mit Habitabilität Frage: Wenn auf der Erde Extremophile an die unmöglichsten Umweltbedingungen angepasst sind, warum nicht auch auf anderen, für uns nicht habitablen, Planeten? Mögliche Szenarien: Entstehung von Extremophilen in habitablen Bedingungen Anpassung an extreme Bedingungen Entstehung in extremen Bedingungen Extremophile als universeller Bestandteil des Lebens Entstehung unter habitablen Bedingungen, Panspermie wo ist der Ursprung?
Tardigrada (Bärtierchen) Gattung: Eukaryoten Lebensraum: Meere, Süßwasser, Moose, Waldboden Merkmale und Lebensweise: bis zu einem mm groß, 8 Beine geschlechtliche und ungeschlechtliche Fortpflanzung Pflanzenzellen oder kleine Tiere als Nahrung (Fadenwürmer) Oft Wachstum durch Zellwachstum und nicht Zellvermehrung
Tardigrada (Bärtierchen) Besondere Eigenschaften Starke Strahlungsresistenz Zysten/Tönnchenbildung zum Abschirmen gegen schädliche Umweltbedingungen Kryptobiose (kälteresistenter, todesähnlicher Zustand) Überlebt bis zu 10 Tage im All Diskussion: Überadaption nicht Folge von natürlicher Selektion Zeichen von extraterrestrischem Ursprung?
Zusammenfassung Mikroorganismen in den unterschiedlichsten Lebensbedingungen bekannt Extremophile aus allen 3 Domänen Einige Arten sehr resistent gegen Strahlung und kryoresistent Panspermie möglich? Bewohnte Planeten außerhalb erdähnlicher Habitabilität durchaus denkbar
Referenzen R. Cavicchioli. Extremophiles and the Search for Extraterrestrial Life. Astrobiology, 2:281 292, August 2002. H. J. Cleaves and J. H. Chalmers. Extremophiles May Be Irrelevant to the Origin of Life. Astrobiology, 4:1 9, March 2004. Applied Network Research. Hpwren - research and education network. http://hpwren.ucsd.edu/news/050923.html. L.J. Rothschild and R.L. Mancinelli. Life in extreme environments. Nature, 409:1092 1101, February 2001.