Biologen der Syracuse University untersuchen, wie mikrobielle Eukaryoten in der rauen Umgebung geothermischer Seen gedeihen. Schätzungen zufolge gibt es auf der Erde etwa 8,7 Millionen Eukaryotenarten. Eukaryoten zeichnen sich durch einen Zellkern und andere membrangebundene Organellen innerhalb der Zelle aus. Obwohl Menschen Eukaryoten oft mit Tieren und Pflanzen assoziieren, machen diese Eukaryotenformen tatsächlich nur zwei der sechs Hauptkategorien von Eukaryoten aus.
Oliverio und Rappaport verbrachten den Sommer damit, Feldforschungen im Lassen Volcanic National Park in Kalifornien durchzuführen, der viele hydrothermale Landformen beherbergt. Quelle: Syracuse University
Ein großer Teil der eukaryotischen Vielfalt besteht aus einzelligen Mikroorganismen, den sogenannten Protisten. Durch die Untersuchung dieser Organismen können Wissenschaftler die Evolutionspfade erforschen, die für die reiche Vielfalt und Komplexität der Eukaryoten verantwortlich sind. Durch diese Studien können wir etwas über die Entwicklung des Tierlebens auf der Erde lernen, beispielsweise über die Entstehung der Vielzelligkeit.
Während Forscher daran arbeiten, die Mechanismen hinter der Evolution der Arten auf der Erde besser zu verstehen, bleiben Fragen offen, wie sich mikrobielle Eukaryoten an die extremen Umweltbedingungen der Erde anpassen. Um diese Frage weiter zu untersuchen, untersuchen Wissenschaftler der Biologieabteilung des College of Arts and Sciences (A&S) derzeit einheimische Organismen, die in einigen der rauesten Umgebungen der Erde leben: extrem heißen und sauren geothermischen Seen.
Die A&S-Biologen Angela Oliverio (links) und Hannah Rappaport am größten geothermischen See der Vereinigten Staaten im Lassen Volcanic National Park in Kalifornien. Bildquelle: Syracuse University
Ein Team unter der Leitung der Assistenzprofessorin für Biologie Angela Oliverio kehrte kürzlich aus dem Lassen Volcanic National Park in Kalifornien zurück, der Heimat des größten geothermischen Sees der Vereinigten Staaten.
„Bei dem See handelt es sich um eine durch sauren Sulfatdampf erhitzte geothermische Struktur, was bedeutet, dass er sowohl ziemlich heiß (ca. 52 °C/124 °F) als auch sauer (ca. pH 2) ist“, sagte Oliverio, der 2022 seine Arbeit an der Syracuse University aufnehmen wird. „Das macht es zu einer ganz besonderen Umgebung für die Untersuchung multiextremer Acidophiler, das sind Organismen, die an zwei oder mehr extreme Bedingungen angepasst sind – in diesem Fall hohe Temperaturen und niedriger pH-Wert.“
Woher wussten sie also, dass sie in einem Thermalsee in Kalifornien nach mikrobiellem eukaryotischem Leben suchen sollten? Kürzlich haben Oliverio und Hannah Rappaport, eine Forscherin in Oliverios Labor, gemeinsam eine Forschungsarbeit in Nature Communications veröffentlicht. In diesem Artikel erstellte das Forschungsteam eine Datenbank, die frühere Forschungen zur Suche nach mikrobiellem eukaryotischem Leben in extremen Umgebungen umfasst. Konkret analysierten sie, welche eukaryotischen Abstammungslinien in verschiedenen Studien unter ähnlichen Umweltbedingungen mehrfach nachgewiesen wurden.
Bild einer Amöbe (runder grauer Fleck im Hintergrund) und roter Algen (vier weiße Ovale im Vordergrund), aufgenommen von Hannah Rappaport mit einem Lichtmikroskop. Die Proben wurden aus einem geothermischen See im Lassen Volcanic National Park entnommen. Bildquelle: Syracuse University
„Wir haben herausgefunden, dass es mehrere Amöbenstämme gibt, die in Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen vorkommen“, sagte Oliverio. „Dies deutet darauf hin, dass die Untersuchung dieser Stämme erhebliche Auswirkungen darauf haben könnte, wie sich eukaryontische Zellen an das Leben in Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen anpassen.“
Laut Oliverio zeigte eine vom Gordon Wolfe Laboratory der California State University durchgeführte Sonderstudie Chico, dass eine Amöbenart namens Thermomoebae im geothermischen See im Lassen-Nationalpark reichlich vorhanden ist. Derzeit liegen jedoch keine genomischen Daten für diesen Organismus vor. Die Bestimmung, wie sich dieses Lebewesen an solche extremen Umgebungen angepasst hat, könnte unser Verständnis darüber erweitern, welche Arten von Umgebungen im Universum für das Leben geeignet sind.
Letzten Sommer reisten Oliverio und Rappaport in den Lassen-Nationalpark, um mehr über diesen besonderen Protisten zu erfahren und nach anderen neuen extremophilen Eukaryoten zu suchen. Am Ufer des Sees nutzte das Team eine lange Maler-Bambusstange mit einer darauf geklebten 1-Liter-Flasche, um Proben zu sammeln – keine leichte Leistung, wenn man bedenkt, dass das Seewasser weit über 100 Grad Fahrenheit hat. Die Flaschen wurden dann zurück zu Oliverios Labor an der Syracuse University geschickt, wo das Team nun einzelne Zellen für die Genomsequenzierung isoliert und die Eigenschaften der Amöbe unter einem Mikroskop beobachtet.
Hannah Rappaport, Forscherin an der Syracuse University, tauchte Flaschen in den heißen See, um Proben zu sammeln. Aufgrund der warmen Wassertemperaturen und des instabilen Bodens müssen Forscher beim Sammeln von Proben einen Sicherheitsabstand einhalten. Bildquelle: Syracuse University
Während noch viel Unklarheit darüber besteht, wie sich Eukaryoten an extreme Umgebungen anpassen, hofft Oliverio, dass diese Forschung dazu beitragen wird, einige der aktuellen Wissenslücken zu schließen.
Bild einer Amöbe (runder grauer Fleck im Hintergrund) und roter Algen (vier weiße Ovale im Vordergrund), aufgenommen von Hannah Rappaport mit einem Lichtmikroskop. Die Proben wurden aus einem geothermischen See im Lassen Volcanic National Park entnommen.
„Wir vermuten, dass es an dieser Amöbenmorphologie etwas Besonderes gibt, das es ihr ermöglicht, in diesen eukaryotischen Abstammungslinien fortzubestehen, aber der Mechanismus bleibt unbekannt“, sagte sie. „Basierend auf unserer Studie gehen wir davon aus, dass der horizontale Gentransfer (die Übertragung genetischer Informationen zwischen Organismen) und die Beschneidung des Genoms (wenn ein Genom nicht benötigte Gene löscht) von Bakterien sowie die Erweiterung besonders nützlicher Genfamilien einige Möglichkeiten sein könnten, wie Protisten sich ein Werkzeug aneignen, um in extremen Umgebungen zu überleben.“
Die Entdeckung im Genommaßstab des Teams wird wichtige fehlende Daten für die Rekonstruktion des Lebensbaums liefern. „Dies wird unser Verständnis der Verbreitung und Entwicklung des Lebens auf der Erde weiter vertiefen.“