Flüchtige Wechselwirkungen zwischen dem kleinsten Phytoplankton und Bakterien tragen dazu bei, die Produktivität der globalen Ozeane zu formen

Mikroorganismen oder Mikroben sind die Motoren groß angelegter ökologischer und biogeochemischer Prozesse im Ozean.

Sie verarbeiten Licht und Nährstoffe im großen Stil und bilden die Basis des marinen Nahrungsnetzes.

Während die mikrobielle Aktivität im Ozean normalerweise in großem Maßstab untersucht wurde, um Dinge wie die globale Sauerstoffproduktion und die CO₂-Sequestrierung zu verstehen, gibt es zunehmend Hinweise darauf, dass die komplizierte kleinräumige Bewegung einzelner Zellen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Produktivität des Ozeans spielt.

Bakterien schwimmen auf großes Phytoplankton zu

Im Ozean dominieren zwei Arten von Mikroben, Phytoplankton und Bakterien.

Phytoplankton sind die winzigen „Pflanzen“ des offenen Ozeans, die Sonnenlicht aufnehmen und diese Energie nutzen, um Nahrung und Sauerstoff zu erzeugen. Der Austausch von Nährstoffen zwischen Phytoplankton und Bakterien reguliert die Produktivität der Ozeane.

Unter dem Mikroskop sieht man oft Meeresbakterien (etwa einen Mikrometer oder 1/1000 Millimeter breit), die sich um große Phytoplanktonzellen (wie Kieselalgen, die etwa 0,5 bis einen Millimeter groß sind) ansammeln und sich von Nährstoffen ernähren, die in das Meer eindringen Umfeld.

Nährstoffreiche Bereiche um das Phytoplankton herum, die als Phycosphären bezeichnet werden, ziehen Bakterien an, die sie mit einem Prozess namens Chemotaxis angreifen.

Phytoplankton kommt jedoch in einer Vielzahl von Formen und Größen vor, und die am häufigsten vorkommenden sind auch einige der kleinsten.

Picophytoplankton wie Synechococcus (eine Form von photosynthetischen Bakterien, die Cyanobakterien genannt werden) kann hundertmal kleiner sein als Diatomeen.

Aufgrund ihrer geringen Größe – nur wenige Mikrometer breit – war die vorherrschende Meinung, dass Zell-zu-Zell-Wechselwirkungen zwischen Picophytoplankton und anderen Bakterien nicht möglich sind. Die Chancen, sich zu treffen, um Nährstoffe zu teilen, schienen unglaublich gering zu sein, wie Nadeln, die andere Nadeln in einem Heuhaufen finden.

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In Zusammenarbeit mit Kollegen des Climate Change Cluster an der University of Technology Sydney und auf der ganzen Welt haben wir eine Reihe von Experimenten und mathematischen Modellen entwickelt – veröffentlicht in Naturmikrobiologie– um zu testen, ob und wie Schwimmen und Navigation Bakterien helfen können, diese Picophytoplankton-„Nadeln im Heuhaufen“ zu finden.

Um zu testen, ob Nährstoffe zwischen diesen verschiedenen Organismen übertragen werden, züchteten wir die Bakterien und das Picophytoplankton separat mit verschiedenen Formen von Stickstoff und Kohlenstoff (sogenannte stabile Isotope) und ließen sie dann drei Stunden lang im Labor zusammen wachsen.

Als nächstes maß unser Team die Stickstoff- und Kohlenstoffzusammensetzung einzelner Zellen und stellte fest, dass einige dieser Nährstoffe tatsächlich zwischen den beiden Arten von Organismen übertragen wurden.

Wie wichtig ist die Bakterienbewegung?

Für das Experiment verwendeten wir Bakterien, die chemotaktisch waren – sie konnten in Richtung Nahrung schwimmen. Aber ist Schwimmen wichtig für diesen Nährstoffaustausch, und macht es überhaupt Sinn, für so kleine Zellen im Ozean zu schwimmen?

Um das herauszufinden, wiederholten wir diese Experimente mit zwei verschiedenen Arten von Bakterien: Bakterien, die schwimmen konnten, aber nicht in Richtung Nahrung navigieren konnten, und Bakterien, die überhaupt nicht schwimmen konnten.

Der Nährstoffaustausch mit dem Picophytoplankton war jeweils deutlich geringer.

Dies zeigte, dass die vorherrschende Meinung falsch war. Das Schwimmverhalten von Bakterien ist der Schlüssel zum Austausch von Nährstoffen und zur Verwendung von Chemotaxis; Bakterien können tatsächlich ihre nährstoffreichen Picophytoplankton-Ziele anpeilen.

Mathematische Modellierung zeigt uns, wie es geht

Obwohl die Wahrnehmung und Bewegung von Bakterien komplex ist, kann ihr Verhalten durch vereinfachte mathematische Modelle sehr genau erfasst werden.

Und das Tolle an einem guten mathematischen Modell ist, dass es nicht nur die experimentellen Daten reproduziert, sondern neue Einblicke in das System liefert, die auf andere Weise nur schwer oder gar nicht zu sehen sind.

Unser mathematisches Modell simuliert direkt die Bewegung von Tausenden von Bakterien, die in einem kleinen Meerwassertröpfchen schwimmen.

Das Modell untermauerte unsere experimentellen Ergebnisse, dass Schwimmen die Nährstoffaufnahme aus Picophytoplankton verbessert. Es ermöglichte uns auch, einzelne Bakterienzellen zu verfolgen und zu berechnen, wie weit sie von einer Nahrungsquelle entfernt waren – zu jeder Zeit.

Eine neue Art der Symbiose

Wir entdeckten, dass Bakterien, die Chemotaxis durchführen können, auf die Picophytoplankton-Hotspots zuschwimmen, sich aber häufig „verirren“ und wegziehen.

Ihre Ziele sind so klein und das Signal so schwach, dass es ihnen selbst bei sehr präziser Navigation unmöglich ist, sich auf unbestimmte Zeit in der Nähe einer Picophytoplanktonzelle aufzuhalten. Durch ihre Schwimmbewegung werden sie ungewollt von der Zelle entfernt und müssen dann den Weg zurück oder zu einer anderen Zelle finden, ein ziemlich mühsamer Prozess für die winzigen Bakterien.

Dies scheint ein sehr ineffizienter Weg zu sein, um Nährstoffe zu erhalten, aber so wie das Kasinohaus am Ende immer gewinnt, gewinnen die chemotaktischen Zellen bis zu 160 Prozent mehr Nährstoffe als diejenigen, die nicht navigieren können.

Die Bewegung chemotaktischer Bakterien, simuliert mit unserem mathematischen Modell. Bakterien werden sofort farblich gekennzeichnet, je nachdem, ob sie nah (grün) oder weit (rot) von einer Picophytoplanktonzelle (blau) entfernt sind. Bildnachweis: Dr. Douglas R. Brumley

Dies liegt daran, dass diese Bakterien etwas mehr Zeit in der sehr engen, nährstoffreichen Umgebung verbringen, die jeden Hotspot umgibt.

Der Effekt des häufigeren und etwas längeren Besuchs von Nährstoffpulsen führt zu einer deutlich höheren Wachstumsrate im Laufe der Zeit.

Die Ergebnisse unseres Teams stellen eine neue Form der Symbiose dar, bei der ein signifikanter wechselseitiger Austausch zwischen Organismen stattfindet, jedoch über flüchtige Zeitskalen von wenigen Sekunden. Diese Ergebnisse stehen im Gegensatz zu typischen Symbiosen, bei denen Organismen auf unbestimmte Zeit nahe beieinander sitzen.

Bewegung im Mikromaßstab ist der Schlüssel

Die wichtigste Erkenntnis unserer Arbeit ist, dass das Zellverhalten eine enorme Rolle bei der Gestaltung von Stoffwechselpartnerschaften zwischen Mikroorganismen spielt.

Obwohl die Zellen extrem klein sind, bietet die Feinskalenbewegung einzelner Zellen auffällige Vorteile, die sich letztendlich auf verbesserte Wachstumsraten auswirken und dazu beitragen, die Gesamtproduktivität der Ozeane zu formen.

Jenseits des Ozeans zeigt diese Arbeit auch, dass Chemotaxis eine unerwartete Rolle beim Stoffwechselaustausch zwischen einzelnen Zellen in einer ganzen Reihe anderer Umgebungen spielen kann.