Obwohl Menschen zusammen mit anderen Wirbeltieren und wirbellosen Organismen keine Photosynthese betreiben, sind wir definitiv die nachgelagerten Nutznießer der Lebensformen, die dies tun. Phototrophe Organismen am Ende der Nahrungskette wandeln reichlich Sonnenlicht in die Energie um, die letztendlich alles andere Leben antreibt.
Die beiden Stoffwechselsysteme zur Gewinnung von Lichtenergie sind grundlegend verschieden. Die bekannteste ist die auf Chlorophyll basierende Photosynthese, bei der Pflanzen Licht verwenden, um die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Zucker und Stärke anzutreiben; das andere System besteht aus protonenpumpenden Rhodopsinen.
Mikrobielle Rhodopsine, Netzhaut-bindende Proteine, sorgen für lichtgesteuerten Ionentransport (und ganz nebenbei für sensorische Funktionen). Es ist eine Familie, die lichtgetriebene Protonenpumpen, Ionenpumpen, Ionenkanäle und Lichtsensoren umfasst. Mikrobielle Rhodopsine kommen in Archaeen, Bakterien und Eukaryoten vor und sind in Ozeanen und Süßwasserseen weit verbreitet.
Im Allgemeinen neigen Arten dazu, sich für das eine oder andere Stoffwechselsystem zu entscheiden, die PC/Mac-Dichotomie phototropher Organismen. Ein multiinstitutionelles Team von Molekularbiologen berichtet nun jedoch, dass es ein alpines Seebakterium gefunden hat, das sowohl auf Bakteriochlorophyll basierende photosynthetische Komplexe als auch protonenpumpende Rhodopsine verwendet. Ihre Studie ist veröffentlicht in PNAS.
Basierend auf Blitzlicht-Photolyse-Messungen berichten die Autoren, dass beide Systeme in Sphingomonas glacialis AAP5, gefunden im Gossenköllesee in den Tiroler Alpen, photochemisch aktiv sind. Insbesondere bei schwachen Lichtverhältnissen zwischen 4 und 22 Grad Celsius exprimiert das Bakterium Bakteriochlorophyll und bei Lichtbedingungen bei Temperaturen unter 16 Grad Celsius Xanthorhodopsin, eine Protonenpumpe.
S. glacialis verwendet geerntetes Licht, um ATP zu synthetisieren und das Wachstum zu stimulieren. Die Autoren schreiben: „Dies weist darauf hin, dass die Verwendung von zwei Systemen zur Lichternte eine evolutionäre Anpassung an die spezifischen Umweltbedingungen in Alpenseen und anderen analogen Ökosystemen darstellen könnte“, nämlich eine Reaktion auf große jahreszeitliche Temperatur- und Lichtänderungen.
Wie die Autoren anmerken, sind auf Bakteriochlorophyll basierende Systeme groß, komplex und pigmentgesteuert und erfordern eine komplexe molekulare Maschinerie für Synthese, Zusammenbau und Regulierung. Aber einmal zusammengebaut, umfassen sie ein „set-it-and-forget-it“-System, das auch bei schlechten Lichtverhältnissen funktioniert. Rhodopsine hingegen sind viel einfacher und kostengünstiger zu exprimieren; Ihr Nachteil ist, dass sie nur bei höheren Bestrahlungsstärken montiert werden und funktionieren.
Beladen mit der gesamten genetischen Hardware für sowohl Chlorophototrophie als auch Retinalphototrophie, haben diese photoheterotrophen kleinen Kerlchen einen reduzierten Bedarf an aerober Atmung und können daher verfügbaren Kohlenstoff für das Wachstum nutzen, ein knappes Gut in der alpinen Seeumgebung, die sie ihr Zuhause nennen.
Die Forscher wunderten sich über die Existenz ähnlich anpassungsfähiger „Gürtel-und-Hosenträger“-Organismen in anderen Umgebungen mit großen saisonalen Temperaturschwankungen und Schwankungen der Lichtverfügbarkeit und untersuchten 215.874 Bakteriengenome, wobei sie beide Gensätze in 55 Bakterien identifizierten; fast die Hälfte stammt aus alpinen Umgebungen. Sie stellen fest, dass eine Art kürzlich in Yellowstone-Quellen identifiziert wurde, einer völlig anderen physikalisch-chemischen Umgebung, aber eine andere, in der Umweltextreme ein hohes Delta haben.
Bacteriochlorophyll-Systeme werden hauptsächlich vertikal übertragen; Rhodopsin-Gene werden jedoch kostengünstig und üblicherweise horizontal erworben. Daher schreiben die Autoren: „Dieser Prozess kann während der Evolution wiederholt stattgefunden haben. Ob diese Arten jedoch das erhaltene Rhodopsin-Gen behalten und exprimieren, hängt von den neuen Genen ab, die in einer bestimmten Umgebung einen Wettbewerbsvorteil bieten. Daher kann es auch zu einer doppelten Phototrophie kommen vorteilhaft in anderen Umgebungen mit hochdynamischen physikalisch-chemischen Bedingungen mit Extremen, die ein System gegenüber dem anderen bevorzugen.“
Mehr Informationen:
Karel Kopejtka et al, Ein Bakterium aus einem Bergsee erntet Licht, indem es sowohl protonenpumpende Xanthorhodopsine als auch auf Bakteriochlorophyll basierende Photosysteme verwendet, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2211018119
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