Wie kommen hitzeliebende Bakterien in die Arktis?

Hitzeliebende Bakterien im eiskalten Boden des Polarmeeres – das klingt widersprüchlich und schwer zu glauben. Dennoch hat ein internationales Team von Mikrobiologen Sporen genau solcher Bakterien in Bodenproben aus dem Nordmeer gefunden. Wie jedoch gelangten diese gewissermaßen winterschlafenden Bakterien an den für sie so lebensfeindlichen Ort? In der Fachzeitschrift „The ISME Journal“ erläutern die Forscher, wie ihre Funde dabei helfen sollen, die Vielfalt und Verbreitung von Mikroorganismen besser zu verstehen.

Eisbären gibt es nur am Nordpol. Sie könnten zwar aufgrund der dort herrschenden Umweltbedingungen auch am Südpol leben, können aufgrund der für sie unwirtlichen Lebensräume dazwischen jedoch nicht dorthin gelangen. Einen Eisbären im Winterschlaf in der Sahara zu finden, ist daher praktisch ausgeschlossen.

Bei Bakterien ist die Sache anders: Man ging ursprünglich davon aus, dass sie sehr leicht von einem Ort zum anderen transportiert werden, zum Beispiel über Wasser- oder Luftströmungen. Somit müssten sie eigentlich überall zu finden sein. Dies ist jedoch nicht der Fall, inzwischen gibt es Hinweise aus zahlreichen Studien, dass eben nicht alle Bakterienarten überall vorkommen. Der Ursprung der Diversität, wie viele und welche Bakterienarten an einem Standort leben und wie sie dorthin gelangt sind, ist schwierig zu klären: Sind die Bakterien durch passive Verbreitung an den jeweiligen Ort gelangt, oder haben sie sich vor Ort durch Mutation und Selektion angepasst?

„Schlafende“ Bakterien lösen Dilemma

Die Wissenschaftler um Alexander Loy von der Universität Wien wollten deshalb bakterielle Sporen, also „schlafende“ Bakterien in Überdauerungsstadien, als Lösung für dieses Dilemma nutzen. Sporen von hitzeliebenden Bakterienarten wachsen aufgrund der für sie unwirtlichen Umweltbedingungen nicht an kalten Standorten, so die Idee der Forscher, aber sie überdauern dort und lassen sich analysieren. „Ihre Biogeographie in kalten Gefilden ist daher fast ausschließlich eine Folge ihrer passiven Verbreitung und eben nicht ihrer evolutionären Anpassung durch genetische Mutation“, erklärt Mikrobiologe Alexander Loy von der Universität Wien.

Weltkarte mit Standorten der untersuchten Meeresbodenproben und der globalen Meereszirkulation. Unter anderem wurden Sedimentproben aus zwei arktischen Regionen untersucht: der Baffin Bay zwischen Nordamerika und Grönland und Fjorde der Inselgruppe Svalbard (Spitzbergen) © Albert Müller

Und das Team von Wissenschaftlern aus Österreich, Dänemark und England hatte Erfolg bei der Suche nach eben solchen Sporen. Zwei arktische Regionen schauten sich die Mikrobiologen besonders genau an: die Baffin Bay im Westen Grönlands und die Fjorde Spitzbergens. Davon ausgehend untersuchten sie anhand weiterer Proben die weltweite Diversität und Verbreitung der Sporen hitzeliebender Bakterien im kalten Meeresboden.

Sporendiversität hängt von Meereszirkulation ab

Genetische Analysen zeigten deutliche Unterschiede zwischen den Standorten: Die Sporendiversität in den Fjorden an der Westküste Spitzbergens war deutlich größer als in den anderen untersuchten arktischen Gebieten. Die Westküste der Inselgruppe liegt im äußersten Einflussbereich des Golfstroms, der offenbar die Vielfalt an Bakteriensporen aus wärmeren Regionen heranträgt. Bereits an der Ostküste, vom Golfstrom abgewandt, sinkt die Zahl der Funde. Die arktische Baffin Bay dagegen ist von der globalen Zirkulation der Ozeane relativ abgeschnitten: In diesen Sedimentproben fanden die Wissenschaftler eine deutlich geringere Diversität vor.

„Wir konnten damit erstmals systematisch zeigen, dass selbst Bakterien im Sporenstadium – also Mikroorganismen, die am ehesten in der Lage sein sollten, längere Reisen zu überstehen – nicht überall zu finden sind und damit in ihrer Verbreitung eingeschränkt sind,“ fasst Albert Müller, Erstautor der Studie, die Ergebnisse zusammen. „Ein wichtiger Mechanismus scheint die unterschiedliche Anbindung lokaler Gewässer an die globale Meereszirkulation zu sein.“

(The ISME Journal, 2014; doi: 10.1038/ismej.2013.225)

(Universität Wien, 14.01.2014 – AKR)