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.
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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. [KHB]