Kreatur von der Größe eines Staubkorns versteckt im kalifornischen Mono Lake gefunden

Der Mono Lake in der östlichen Sierra Nevada ist für seine hoch aufragenden Kalktuffformationen, seine zahlreichen Artemia und seine schwarzen Wolken aus Alkalifliegen bekannt, die sich speziell an das salzige, mit Arsen und Cyanid verseuchte Wasser angepasst haben.

Forscher der University of California in Berkeley haben nun ein weiteres ungewöhnliches Lebewesen entdeckt, das im salzigen Flachwasser des Sees lauerte – eines, das den Wissenschaftlern Aufschluss über die Herkunft der Tiere vor über 650 Millionen Jahren geben könnte.

Der Organismus ist ein Choanoflagellat, eine mikroskopisch kleine, einzellige Lebensform, die sich teilen und zu mehrzelligen Kolonien entwickeln kann, ähnlich wie Embryonen bei Tieren entstehen. Es handelt sich jedoch nicht um eine Tierart, sondern um ein Mitglied einer Schwestergruppe aller Tiere. Und als engster lebender Verwandter der Tiere ist der Choanoflagellat ein entscheidendes Modell für den Sprung vom einzelligen zum mehrzelligen Leben.

Überraschenderweise besitzt er sein eigenes Mikrobiom. Damit ist er der erste bekannte Choanoflagellat, der eine stabile physische Beziehung zu Bakterien aufbaut, anstatt sie nur zu fressen. Damit ist er einer der einfachsten Organismen, von denen bekannt ist, dass sie ein Mikrobiom besitzen.

„Über Kragengeißeltierchen ist sehr wenig bekannt, und es gibt interessante biologische Phänomene, in die wir nur Einsicht gewinnen können, wenn wir ihre Ökologie verstehen“, sagt Nicole King, Professorin für Molekular- und Zellbiologie an der UC Berkeley und Forscherin am Howard Hughes Medical Institute (HHMI), die Kragengeißeltierchen als Modell dafür untersucht, wie das frühe Leben in den Ozeanen der Urzeit aussah.

Choanoflagellaten sind normalerweise nur unter dem Mikroskop sichtbar und werden von Wasserbiologen oft ignoriert. Sie konzentrieren sich stattdessen auf makroskopische Tiere, photosynthetische Algen oder Bakterien. Doch ihre Biologie und Lebensweise können Einblicke in Lebewesen geben, die in den Ozeanen lebten, bevor sich Tiere entwickelten, und aus denen schließlich Tiere entstanden. Insbesondere diese Art könnte Licht auf den Ursprung der Interaktionen zwischen Tieren und Bakterien werfen, die zum menschlichen Mikrobiom führten.

„Tiere entwickelten sich in Ozeanen, die voller Bakterien waren“, sagte King. „Wenn man an den Baum des Lebens denkt, sind alle heute lebenden Organismen im Laufe der Evolution miteinander verwandt. Wenn wir also heute lebende Organismen untersuchen, können wir rekonstruieren, was in der Vergangenheit passiert ist.“

King und ihre Kollegen von der UC Berkeley beschrieben den Organismus, den sie nach dem See Barroeca monosierra nannten, in einem Artikel veröffentlicht 14. August im Journal mBio.

Eine schöne Kolonie

Vor fast 10 Jahren kam der damalige UC Berkeley-Student Daniel Richter von einer Klettertour in der östlichen Sierra Nevada mit einem Fläschchen Wasser aus dem Mono Lake zurück, das er unterwegs beiläufig gesammelt hatte. Unter dem Mikroskop wimmelte es von Choanoflagellaten. Abgesehen von Artemia, Alkalifliegen und verschiedenen Fadenwurmarten wurden nur wenige andere Lebensformen in den unwirtlichen Gewässern des Sees beschrieben.

„Es war einfach vollgepackt mit diesen großen, wunderschönen Kolonien von Choanoflagellaten“, sagte King. „Ich meine, es waren die größten, die wir je gesehen hatten.“

Die Kolonien aus scheinbar annähernd 100 identischen Choanoflagellatenzellen bildeten eine hohle Kugel, die wirbelte und rotierte, wenn die einzelnen Zellen ihre Geißeln bewegten.

„Eines der interessanten Dinge an ihnen ist, dass diese Kolonien eine Form haben, die der Blastula ähnelt – einer hohlen Zellkugel, die sich früh in der Entwicklung von Tieren bildet“, sagte King. „Wir wollten mehr darüber erfahren.“

Zu dieser Zeit war King jedoch mit anderen Arten von Choanos beschäftigt, wie sie sie nennt, und so lagen die Choanos aus Mono Lake im Gefrierschrank, bis einige Studenten sie wiederbelebten und färbten, um ihre ungewöhnlichen, donutförmigen Chromosomen zu untersuchen. Überraschenderweise befand sich in der hohlen Kolonie auch DNA, wo eigentlich keine Zellen sein sollten. Nach weiteren Untersuchungen stellte die Doktorandin Kayley Hake fest, dass es sich um Bakterien handelte.

„Die Bakterien waren eine große Überraschung. Das war einfach faszinierend“, sagte King.

Hake entdeckte innerhalb der kugelförmigen Kolonie außerdem Bindestrukturen, die sogenannte extrazelluläre Matrix, die von den Choanos abgesondert wurden.

Erst in diesem Moment kam Hake und King der Gedanke, dass es sich dabei möglicherweise nicht um die Überreste von Bakterien handeln könnte, die die Choanos gefressen hatten, sondern um Bakterien, die auf den Absonderungen der Kolonie lebten und diese fraßen.

„Niemand hatte je einen Choanoflagellaten beschrieben, der eine stabile physische Interaktion mit Bakterien hatte“, sagte sie. „In unseren früheren Studien fanden wir heraus, dass Choanos auf kleine Bakterienmoleküle reagierten, die durch das Wasser schwammen, oder [that] Die Choanos fraßen die Bakterien, aber es gab keinen Fall, in dem sie etwas taten, was möglicherweise eine Symbiose sein könnte. Oder in diesem Fall ein Mikrobiom.“

King tat sich mit Jill Banfield zusammen, einer Pionierin der Metagenomik und Professorin für Umweltwissenschaften, -politik und -management sowie für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Berkeley, um herauszufinden, welche Bakterienarten sich im Wasser und in den Choanos befanden. Bei der Metagenomik wird die gesamte DNA einer Umweltprobe sequenziert, um die Genome der dort lebenden Organismen zu rekonstruieren.

Nachdem Banfields Labor die Mikroben im Wasser des Mono Lake identifiziert hatte, erstellte Hake DNA-Sonden, um herauszufinden, welche davon sich auch in den Choanos befanden. Die Bakterienpopulationen waren nicht identisch, sagte King, also überleben offenbar einige Bakterien im sauerstoffarmen Lumen der Choanoflagellatenkolonie besser als andere. Hake stellte fest, dass sie nicht zufällig dort waren; sie wuchsen und teilten sich. Vielleicht entkamen sie der giftigen Umgebung des Sees, überlegte King, oder vielleicht züchteten die Choanos die Bakterien, um sie zu fressen.

Vieles davon sei Spekulation, gibt sie zu. Zukünftige Experimente sollten aufdecken, wie die Bakterien mit den Choanoflagellaten interagieren. Frühere Arbeiten in ihrem Labor haben bereits gezeigt, dass Bakterien wie ein Aphrodisiakum wirken und die Paarung bei Choanoflagellaten stimulieren, und dass Bakterien einzellige Choanos dazu anregen können, sich zu Kolonien zusammenzuschließen.

Für sie werden die Choanoflagellaten des Mono Lake zu einem weiteren Modellsystem, an dem sie die Evolution studieren kann, genau wie die Choanos, die in Planschbecken auf der Insel Curaçao in der Karibik leben – ihr derzeitiger Schwerpunkt – und die Choanos in Becken am Nord- und Südpol. Es könnte jedoch eine Herausforderung sein, mehr Proben aus dem Mono Lake zu bekommen. Bei einem kürzlichen Besuch enthielten nur sechs von 100 Proben diese energiegeladenen Mikroorganismen.

„Ich denke, es muss noch viel mehr über das mikrobielle Leben des Mono Lake getan werden, denn es ist die Grundlage für alles andere im Ökosystem“, sagte King. „Ich bin begeistert von B. monosierra als neuem Modell zur Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Eukaryoten und Bakterien. Und ich hoffe, es sagt uns etwas über die Evolution. Aber selbst wenn nicht, halte ich es für ein faszinierendes Phänomen.“

Zu den Co-Autoren des Artikels von der UC Berkeley gehören neben King, Banfield, Hake und Richter der ehemalige Doktorand Patrick West, der Elektronenmikroskopiker Kent McDonald und die Postdoktoranden Josean Reyes-Rivera und Alain Garcia De Las Bayonas.