Neue Studie zeigt, dass kohlenstoffbindendes Phytoplankton den Ozean durch Rafting auf Chitinpartikeln besiedelte

Überall im Ozean bilden Milliarden und Abermilliarden pflanzenähnlicher Mikroben einen unsichtbaren schwimmenden Wald. Beim Driften nutzen die winzigen Organismen Sonnenlicht, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzusaugen. Zusammengenommen absorbiert dieses photosynthetisierende Plankton oder Phytoplankton fast so viel CO2 wie die Landwälder der Welt. Ein messbarer Teil ihrer kohlenstoffbindenden Muskeln stammt von Prochlorococcus – einem smaragdgrünen Freischwimmer, der heute das am häufigsten vorkommende Phytoplankton in den Ozeanen ist.

Aber Prochlorococcus kam nicht immer in offenen Gewässern vor. Die Vorfahren der Mikrobe hielten sich wahrscheinlich näher an den Küsten auf, wo es reichlich Nährstoffe gab und Organismen in gemeinschaftlichen mikrobiellen Matten auf dem Meeresboden überlebten. Wie kamen die Nachkommen dieser Küstenbewohner dann zu den Photosynthese-Kraftwerken der heutigen offenen Ozeane?

MIT-Wissenschaftler glauben, dass Rafting der Schlüssel war. In einer neuen Studie schlagen sie vor, dass die Vorfahren von Prochlorococcus die Fähigkeit erlangten, sich an Chitin – den abgebauten Partikeln antiker Exoskelette – festzuhalten. Die Mikroben ritten auf vorbeiziehenden Flocken mit und nutzten die Partikel als Flöße, um sich weiter aufs Meer hinauszuwagen. Diese Chitinflöße könnten auch wichtige Nährstoffe geliefert und die Mikroben auf ihrer Reise mit Energie versorgt und versorgt haben.

So gestärkt hätten Generationen von Mikroben möglicherweise die Möglichkeit gehabt, neue Fähigkeiten zu entwickeln, um sich an das offene Meer anzupassen. Letztendlich hätten sie sich so weit entwickelt, dass sie von Bord gehen und als frei schwimmende Meeresbewohner überleben könnten, die heute leben.

„Wenn Prochlorococcus und andere photosynthetische Organismen den Ozean nicht besiedelt hätten, hätten wir es mit einem ganz anderen Planeten zu tun“, sagt Rogier Braakman, Forscher am Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences (EAPS) des MIT. „Es war die Tatsache, dass sie sich an diesen Chitinflößen befestigen konnten, die es ihnen ermöglichte, in einem völlig neuen und riesigen Teil der Biosphäre des Planeten Fuß zu fassen, und zwar auf eine Weise, die die Erde für immer veränderte.“

Braakman und seine Mitarbeiter stellen ihre neue „Chitin-Raft“-Hypothese zusammen mit Experimenten und genetischen Analysen, die diese Idee stützen, in einer Studie vor, die diese Woche in erscheint PNAS.

MIT-Co-Autoren sind Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Woods Hole Oceanographic Institution.

Ein seltsames Gen

Prochlorococcus ist eine von zwei Hauptgruppen, die zur Klasse der Picocyanobakterien gehören, den kleinsten photosynthetisierenden Organismen auf dem Planeten. Die andere Gruppe ist Synechococcus, eine eng verwandte Mikrobe, die in Ozean- und Süßwassersystemen reichlich vorkommt. Beide Organismen leben von der Photosynthese.

Es stellt sich jedoch heraus, dass einige Prochlorococcus-Stämme alternative Lebensstile annehmen können, insbesondere in Regionen mit schlechten Lichtverhältnissen, in denen die Aufrechterhaltung der Photosynthese schwierig ist. Diese Mikroben sind „mixotroph“ und nutzen für ihr Wachstum eine Mischung aus anderen Strategien zur Kohlenstoffbindung.

Forscher in Chisholms Labor suchten nach Anzeichen einer Mixotrophie, als sie auf ein gemeinsames Gen in mehreren modernen Prochlorococcus-Stämmen stießen. Das Gen kodierte für die Fähigkeit, Chitin abzubauen, ein kohlenstoffreiches Material, das aus den abgeschälten Schalen von Arthropoden wie Insekten und Krebstieren stammt.

„Das war sehr seltsam“, sagt Capovilla, die sich entschied, sich eingehender mit dem Befund zu befassen, als sie als Postdoktorandin ins Labor kam.

Für die neue Studie führte Capovilla Experimente durch, um herauszufinden, ob Prochlorococcus Chitin tatsächlich sinnvoll abbauen kann. Frühere Arbeiten im Labor zeigten, dass das Chitin-abbauende Gen in Prochlorococcus-Stämmen vorkommt, die unter schlechten Lichtverhältnissen leben, sowie in Synechococcus. Das Gen fehlte bei Prochlorococcus, der in stärker sonnendurchfluteten Regionen lebt.

Im Labor führte Capovilla Chitinpartikel in Proben von Stämmen mit schwachem und starkem Licht ein. Sie fand heraus, dass Mikroben, die das Gen enthielten, Chitin abbauen konnten, und von diesen schienen nur an schwaches Licht angepasste Prochlorococcus von diesem Abbau zu profitieren, da sie dadurch offenbar auch schneller wuchsen. Die Mikroben könnten auch an Chitinflocken haften – ein Ergebnis, das Braakman besonders interessierte, der die Entwicklung von Stoffwechselprozessen und die Art und Weise untersucht, wie sie die Ökologie der Erde geprägt haben.

„Die Leute fragen mich immer: Wie haben diese Mikroben den frühen Ozean besiedelt?“ er sagt. „Und als Gio diese Experimente durchführte, gab es diesen Aha-Moment.“

Braakman fragte sich: Könnte dieses Gen in den Vorfahren von Prochlorococcus in einer Weise vorhanden gewesen sein, die es Küstenmikroben ermöglichte, sich an Chitin anzuheften, sich davon zu ernähren und die Flocken ins Meer zu reiten?

Auf das Timing kommt es an

Um diese neue „Chitin-Raft“-Hypothese zu testen, wandte sich das Team an Fournier, der sich auf die Rückverfolgung von Genen verschiedener Mikrobenarten im Laufe der Geschichte spezialisiert hat. Im Jahr 2019 erstellte Fourniers Labor einen Evolutionsbaum für jene Mikroben, die das Chitin-abbauende Gen aufweisen. An diesem Baum stellten sie einen Trend fest: Mikroben beginnen erst dann mit der Nutzung von Chitin, wenn Arthropoden in einem bestimmten Ökosystem reichlich vorhanden sind.

Damit die Chitin-Raft-Hypothese zutrifft, müsste das Gen in Vorfahren von Prochlorococcus vorhanden sein, kurz nachdem Arthropoden begannen, Meeresumwelten zu besiedeln.

Das Team untersuchte den Fossilienbestand und stellte fest, dass im frühen Paläozoikum, vor etwa einer halben Milliarde Jahren, aquatische Arthropodenarten reichlich vorhanden waren. Laut Fourniers Evolutionsbaum ist dies auch ungefähr die Zeit, in der das Chitin-abbauende Gen bei den gemeinsamen Vorfahren von Prochlorococcus und Synecocochus auftritt.

„Der Zeitpunkt ist recht solide“, sagt Fournier. „Meeressysteme wurden mit dieser neuen Art von organischem Kohlenstoff in Form von Chitin überschwemmt, ebenso wie sich Gene für die Nutzung dieses Kohlenstoffs auf alle Arten von Mikroben ausbreiteten. Und die Bewegung dieser Chitinpartikel eröffnete den Mikroben plötzlich die Möglichkeit, sich wirklich zu entwickeln.“ Schaffe es aufs offene Meer.

Das Auftreten von Chitin war möglicherweise besonders vorteilhaft für Mikroben, die unter schlechten Lichtverhältnissen leben, beispielsweise am Meeresboden an der Küste, wo vermutlich alte Picocyanobakterien gelebt haben. Für diese Mikroben wäre Chitin eine dringend benötigte Energiequelle und ein Ausweg aus ihrer gemeinschaftlichen Küstennische gewesen.

Braakman sagt, dass die Rafting-Mikroben, sobald sie auf See waren, robust genug waren, um andere Anpassungen an Meeresbewohner zu entwickeln. Millionen von Jahren später waren die Organismen dann bereit, „den Sprung zu wagen“ und sich zu den heute existierenden frei schwebenden, photosynthetisierenden Prochlorococcus zu entwickeln.

„Letztendlich geht es darum, dass sich Ökosysteme gemeinsam entwickeln“, sagt Braakman. „Mit diesen Chitinflößen konnten sowohl Arthropoden als auch Cyanobakterien in den offenen Ozean vordringen. Letztendlich trug dies zur Entstehung moderner Meeresökosysteme bei.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.