Erste Cyanobakterien

3500 Millio­nen Jahre
oder 854 Meter vor heute

Zeit­al­ter: Archai­kum

Vorläu­fer der Cyano­bak­te­rien (früher Blau­al­gen genannt) sind die ersten Zellen, deren Spuren in alten Gestei­nen nach­weis­bar sind. Durch ihre Zell­mem­bran waren sie bereits in der Lage, den Stoff- und Ener­gie­aus­tausch mit ihrer Umge­bung zu regu­lie­ren.
Auch Kalk­aus­fäl­lun­gen (Stroma­to­li­then) ande­rer Mikro­or­ga­nis­men sind aus dieser Zeit nach­weis­bar.

Das ursprüng­lich in der Atmo­sphäre vorhan­dene Kohlen­di­oxid löst sich in den Ozea­nen und wird dort zum Aufbau der Biomasse genutzt. Damit besteht die Atmo­sphäre fast nur noch aus Stick­stoff. Sauer­stoff ist noch nicht vorhan­den, entspre­chend auch keine Ozon­schicht, die vor UV-Strah­len schützt. Während dieser Peri­ode könnte sich der erste Super­kon­ti­nent Ur gebil­det haben.


Vorläu­fer der heuti­gen Cyano­bak­te­rien waren vermut­lich die ersten Lebe­we­sen, die zur Photo­syn­these mit Sauer­stoff­pro­duk­tion befä­higt waren. Die Photo­syn­these ist der wich­tigste Prozess zur Gewin­nung von Ener­gie aus ener­gie­ar­men Substan­zen. Hier­bei wird Licht­ener­gie in Farb­stoffe aufge­nom­men und chemisch auf andere Stoffe über­tra­gen. Dies wird auf unse­rer Infor­ma­ti­ons­seite zur Photo­syn­these genauer erklärt. Wir kennen die Photo­syn­these als Prozess, der zur Produk­tion von Sauer­stoff führt. Entwick­lungs­ge­schicht­lich älter (weil einfa­cher aufge­baut), sind jedoch Photo­syn­these-Systeme, bei denen die Ener­gie des Lich­tes nicht zur Spal­tung des Wassers und damit zur Frei­set­zung von gasför­mi­gem Sauer­stoff führt, sondern zur Bildung von Schwe­fel oder Nitrat.

Die Entwick­lung der Photo­syn­these

Cyano­bak­te­rien wurden wegen ihrer Photo­syn­the­se­fä­hig­keit und ihrer häufig blau­grü­nen Färbung früher als Blau­al­gen bezeich­net. Sie sind aber echte Bakte­rien mit einem proka­ryo­ti­schen Zellauf­bau, also ohne Zell­kern. Aller­dings können sie, wie die Chlo­ro­plas­ten euka­ryo­ti­scher (zell­kern­hal­ti­ger) Pflan­zen, eine Photo­syn­these durch­füh­ren, bei der Sauer­stoff entsteht. Sie waren als erste Lebe­we­sen der Erdge­schichte über­haupt in der Lage, Photo­syn­these mit Wasser­mo­le­kü­len als Wasser­stoff­quelle zu betrei­ben und so Sauer­stoff zu bilden. Damit waren sie höchst­wahr­schein­lich für die Ausfäl­lung der im Meer­was­ser gelös­ten Eisen- und ande­rer Metal­lio­nen und danach für die allmäh­li­che Anrei­che­rung von Sauer­stoff in der Erdat­mo­sphäre verant­wort­lich. Auch dazu findest du Details auf der Infor­ma­ti­ons­seite zur Photo­syn­these.

Älteste, den Cyano­bak­te­rien ähnelnde Fossi­lien hat man in Stroma­to­li­then gefun­den, deren Alter auf über drei Milli­ar­den Jahre bestimmt werden konnte. Stroma­to­li­the sind schicht­för­mig aufge­baute Gesteine aus fossi­li­sier­ten Einzellern und ihren Stoff­wech­sel­pro­duk­ten. Welche Art der Photo­syn­these (Schwe­fel-, Nitrat- oder Sauer­stoff­bil­dung) seiner­zeit betrie­ben wurde, lässt sich anhand der Verstei­ne­run­gen jedoch nicht unter­schei­den. Wann genau die oxygene (also Sauer­stoff erzeu­gende) Photo­syn­these entstan­den ist, weiß man daher nicht. Hinweise auf den Beginn der oxyge­nen Photo­syn­tese liefern die Bänder­erz­for­ma­tio­nen, deren Bildung vor ca. 2500 Millio­nen Jahren begann und die auf die Oxida­tion und Ausfäl­lung der in den Meeren gelös­ten Metall­salze zurück­zu­füh­ren ist.

Stroma­to­li­then. Links: Diese heute noch aktiv wach­sende Stroma­to­li­then­ko­lo­nie befin­det sich in der west­aus­tra­li­schen Shark Bay. Rechts: An diesem etwa 70 Millio­nen Jahre alten, fossi­len Stroma­to­li­then aus der Krei­de­zeit ist der fein­la­gige Aufbau gut zu erken­nen. (Quel­len: linkes Bild: Paul Harri­son [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/); rech­tes Bild: Didier Descou­ens [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)])

Arten und Lebens­raum

Es gibt etwa 2000 verschie­dene Arten von Cyano­bak­te­rien. Viele von ihnen sind 5- bis 10-mal größer als normale Bakte­rien. Sie sind meist kuge­lig bis stäb­chen- und faden­för­mig. Ihren Namen haben die Cyano­bak­te­rien von den Pigmen­ten im Zellin­ne­ren, die von blau­grün über gras­grün bis zu rot oder dunkel­braun reichen können. Die typisch blau­grüne Färbung stammt vom Farb­stoff Phycocya­nin (bläu­li­che Farb­pig­mente), rote Cyano­bak­te­rien enthal­ten Phyco­ery­th­rin.

Cyano­bak­te­rien sind welt­weit in Süß-, Brack- und Salz­was­ser sowie über­all im Boden verbrei­tet. Sie leben häufig als Einzel­zel­len, viele Arten sind jedoch auch faden­för­mig orga­ni­siert. Man kann sie als schwarz­blaue Beläge auf feuch­tem Gestein oder meter­lange Büschel rot, blau oder grün gefärb­ter Wasser­blü­ten auch mit bloßem Auge sehen. Auf dem Land besie­deln sie bevor­zugt Ober­flä­chen von Felsen oder wach­sen in Kalk- und Krei­de­fel­sen hinein.

Wegen ihrer hohen Resis­tenz gegen Hitze, Kälte und Salz sind viele Cyano­bak­te­rien-Arten in der Lage, an extre­men Stand­or­ten zu leben. So findet man sie in heißen Quel­len (bis ca. 75 °C), in Salz­seen und sogar unter dem Eis der Antark­tis. Sie stel­len auch heute noch einen großen Teil der gesam­ten Biomasse unse­res Plane­ten dar.

Blau­al­gen­blüte in einem Bagger­see. Durch Wind­drift wurden die Cyano­bak­te­rien in einer Gewäs­se­r­ecke  konzen­triert. (Quelle: Chris­tian Fischer [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)])

Eine Beson­der­heit der Cyano­bak­te­rien ist, dass sie in Symbiose mit eini­gen mari­nen Schwäm­men, mit Algen, Flech­ten aber auch mit Land­pflan­zen leben können. Nach der Endo­sym­bio­n­ten­theo­rie der Entste­hung der Euka­ryota sind deren Chlo­ro­plas­ten aus Cyano­bak­te­rien hervor­ge­gan­gen.

Hete­ro­cys­ten und Akine­ten

Eine weitere Beson­der­heit der Cyano­bak­te­rien stel­len die Hete­ro­cys­ten und Akine­ten dar. Bei Hete­ro­cys­ten handelt es sich um etwas größere Zellen im Zell­ver­band von Cyano­bak­te­rien. Sie entste­hen aus norma­len vege­ta­ti­ven Zellen, in denen sich die Spei­cher­gra­nula und die Orga­nel­len der Photo­syn­these (die soge­nann­ten Thyl­acoide) auflö­sen und sich statt­des­sen neue Membran­struk­tu­ren entwi­ckeln.

Akine­ten sind Dauer­spo­ren, die ungüns­tige Umwelt­be­din­gun­gen gut über­le­ben. Sie bilden sich aus norma­len Zellen unter bedeu­ten­der Volu­men­zu­nahme. Die Gasva­kuo­len verschwin­den und die Dichte des Cyto­plas­mas nimmt zu, ebenso die Anzahl der Ribo­so­men und der Cyano­phy­cin­gra­nula, die der Stick­stoff-Fixie­rung dienen (s.u.). Akine­ten enthal­ten übli­cher­weise große Mengen von Spei­cher­nähr­stof­fen und sind von einer dicken, drei­schich­ti­gen Hülle außer­halb der Zell­wand umge­ben.

Stick­stoff-Fixie­rung

Obwohl Stick­stoff in mole­ku­la­rer Form wegen seiner intra­mo­le­ku­la­ren Drei­fach­bin­dung ein rela­tiv reak­ti­ons­trä­ges Gas ist, gehört er zu den wich­tigs­ten Baustei­nen des Lebens. Seine Umwand­lung in eine biover­füg­bare Form, die man Stick­stoff-Assi­mi­la­tion oder -Fixie­rung nennt, kann auf drei verschie­dene Arten gesche­hen.

Die drei Arten der Stickstoff-Fixierung

Abio­ti­sche Fixie­rung:
Durch Blitz­schlag bei Gewit­tern, große Brände und Vulkan­aus­brü­che entste­hen aus Stick­stoff und Luft­sauer­stoff Stick­oxide, die mit Wasser­tröpf­chen der Atmo­sphäre zu Salpe­tri­ger Säure bzw. Salpe­ter­säure reagie­ren und als saurer Regen in den Boden gelan­gen.
N2 + O2 → 2 NO
4 NO + 3 O2 + 2 H2O → 4 HNO3

Bioti­sche Fixie­rung:
Die biolo­gi­sche Stick­stoff­fi­xie­rung ist, ebenso wie die beiden andern Arten, extrem ener­gie­auf­wän­dig, 946 Kilo­joule je Mol sind notwen­dig, um den mole­ku­la­ren Stick­stoff biover­füg­bar zu machen. Dies ist die Methode, mit der Cyano­bak­te­rien den Stick­stoff aus der Luft binden und so für Pflan­zen verfüg­bar machen können.

Tech­ni­sche Fixie­rung:
Anfang des 20. Jahr­hun­derts entwi­ckel­ten die deut­schen Chemi­ker Fritz Haber und Carl Bosch ein Verfah­ren, mit dem mole­ku­la­rer Stick­stoff unter hohen Drücken und Tempe­ra­tu­ren unter Zuhil­fe­nahme von Wasser­stoff und eines Kata­ly­sa­tors zu Ammo­niak (NH3) umge­setzt werden kann. Daraus lassen sich leicht Dünge­mit­tel wie Harn­stoff oder Ammo­ni­um­salze herstel­len. Haber und Bosch erhiel­ten für diese Leis­tung, die welt­weit die Land­wirt­schaft revo­lu­tio­nierte, 1919 bzw. 1931 den Nobel­preis für Chemie.

Für den Stick­stoff­ein­trag in Reis­fel­der ist vor allem Aulo­sira ferti­lis­sima verant­wort­lich. Dieses Cyano­bak­te­rium führt die Stick­stoff-Fixie­rung ausschließ­lich in seinen Hete­ro­cys­ten durch. Das Bakte­rium ist aber auch für symbio­ti­sche Verbin­dun­gen mit Horn­moo­sen bekannt, denen es biover­füg­ba­ren Stick­stoff liefert, wodurch diese Moose auf fast stick­stoff­freien Böden wach­sen können.

Die Cyano­bak­te­rien-Arten Synecho­coc­cus und Synecho­cys­tis binden einen großen Teil des Stick­stoffs in den Welt­mee­ren, der vom pflanz­li­chen Plank­ton benö­tigt wird, und tragen somit einen wesent­li­chen Anteil zur Produk­tion von Biomasse bei.

Auf der ande­ren Seite produ­zie­ren manche Cyano­bak­te­rien aber auch für Menschen und viele Tiere gefähr­li­che Gift­stoffe.

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