Stabförmiger CDA. (Chivian et al., Science, 2008) Neue Forschungsergebnisse haben ergeben, dass ein Bakterium, das tief unter der Erde lebt und von chemischen Reaktionen lebt, die durch radioaktiven Zerfall ausgelöst werden, dies seit Millionen von Jahren unverändert tut.
Eine genetische Analyse von Mikroben der Art Ein Kandidat für Desulfurus, ein mutiger Reisender (CDA), die auf drei verschiedenen Kontinenten gesammelt wurden, hat gezeigt, dass sich das Bakterium seit ihrem letzten gemeinsamen Aufenthalt auf derselben Landmasse, Pangäa, kaum weiterentwickelt hat.
Das bedeutet, dass sie sich in einem Zustand befanden, den Wissenschaftler als „ evolutionärer Stillstand ' seit mindestens 175 Millionen Jahren, was CDA zum einzigen bekannten unterirdischen lebenden Mikrobenfossil macht. Dies könnte wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis der mikrobiellen Evolution haben.
„Diese Entdeckung zeigt, dass wir vorsichtig sein müssen, wenn wir Annahmen über die Geschwindigkeit der Evolution treffen und wie wir den Baum des Lebens interpretieren.“ sagte der Mikrobiologe Eric Becraft der University of North Alabama.
„Es ist möglich, dass einige Organismen einen evolutionären Vollsprint vollziehen, während andere langsamer werden, was die Etablierung verlässlicher molekularer Zeitpläne erschwert.“
CDA ist ein eigenartiger kleiner Organismus. Es war das Erste 2008 entdeckt , der 2,8 Kilometer (1,7 Meilen) unter der Erdoberfläche im Grundwasser einer Goldmine in Südafrika lebt. Darüber hinaus umfasste es 99,9 Prozent der Mikroorganismen an dem Ort, an dem es gefunden wurde – es handelte sich also praktisch um ein Ein-Arten-Ökosystem.
Das kommt, wie Sie sich vorstellen können, ziemlich selten vor. Die winzigen Mikroben leben in wassergefüllten Hohlräumen im Gestein und sind auf die Chemosynthese als Nahrung angewiesen; Im Gegensatz zur Photosynthese, die zur Umwandlung in Energie auf Sonnenlicht angewiesen ist, beziehen chemosynthetische Organismen ihre Energie aus chemischen Reaktionen.
Im Fall von CDA handelt es sich um die Zersetzung von Wassermolekülen aufgrund der ionisierenden Strahlung, die beim radioaktiven Zerfall von Uran, Kalium und Thorium entsteht.
Daher ist das Bakterium, anders als der Großteil des Lebens auf der Erde, für sein Überleben weder auf Sonnenlicht noch auf andere Organismen angewiesen – es kann einfach weitermachen, dort unten in der feuchten Dunkelheit.
Das Team wollte mehr über CDA und seine Entwicklung und Anpassung erfahren, also durchsuchte es Proben von tiefem Grundwasser von anderen Kontinenten und fand das Bakterium in Sibirien und Kalifornien sowie an anderen Orten in Südafrika.
Sie sammelten 126 Mikroben von allen drei Kontinenten und sequenzierten ihre Genome – wobei sie äußerst vorsichtig waren und die Forscher aus jedem Labor sich nicht in die Nähe der anderen begaben. Sie dachten, dass sie durch den Vergleich der Mikroben verschiedener Kontinente in unterschiedlichen physikalisch-chemischen Umgebungen erkennen könnten, wie sie sich entwickelt und diversifiziert hatten, während sie sich jeweils an ihre jeweiligen Umstände anpassten.
„Wir wollten diese Informationen nutzen, um zu verstehen, wie sie sich entwickelt haben und welche Umweltbedingungen zu welchen genetischen Anpassungen führen.“ sagte der Mikrobiologe Ramunas Stepanauskas des Bigelow Laboratory for Ocean Sciences in Maine.
„Wir stellten uns die Mikroben so vor, als wären sie Bewohner isolierter Inseln, wie die Finken, die Darwin auf den Galapagosinseln untersuchte.“
Sie hatten keinen Grund, dies nicht zu glauben – wie konnte eine Mikrobe, die 3 Kilometer unter der Erde in Südafrika isoliert wurde, möglicherweise Kontakt mit einer Mikrobe haben, die 3 Kilometer unter der Erde in Sibirien isoliert wurde? Doch als das Team die Genome verglich, stellte es fest, dass die Mikroben auf den drei Kontinenten nahezu identisch waren.
Eine genauere Untersuchung ergab keine Hinweise darauf, dass CDA an der Oberfläche oder in der Luft überleben kann, geschweige denn über weite Strecken zurücklegen kann, und sie überprüften noch einmal, dass es keine Kreuzkontamination der Proben gegeben hatte. Nachdem diese alle ausgeschlossen waren, mussten die Forscher eine andere Antwort finden.
Die plausibelste Erklärung? Die Mikroben haben sich kaum entwickelt.
„Die beste Erklärung, die wir derzeit haben, ist, dass sich diese Mikroben nicht wesentlich verändert haben, seit sich ihre physischen Standorte beim Zerfall des Superkontinents Pangäa vor etwa 175 Millionen Jahren trennten.“ sagte Stepanauskas .
„Es scheinen lebende Fossilien aus jener Zeit zu sein.“ Das klingt ziemlich verrückt und widerspricht dem heutigen Verständnis der mikrobiellen Evolution.“
Wir wissen, dass sich Bakterien extrem schnell entwickeln können; Tatsächlich war dies ein großes Problem bei der Entwicklung von Antibiotika, da einige Mikroben dazu in der Lage waren Resistenzen gegen diese Medikamente entwickeln . Vom gegenteiligen Szenario hören wir jedoch nicht wirklich. Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen einige Cyanobakterienarten befindet sich möglicherweise in einem Zustand evolutionärer Stase, obwohl dies der Fall ist umstritten .
CDA könnte der bisher beste Fall für einen evolutionären Stillstand in einer Mikrobe sein. Das Team glaubt, dass dies daran liegen könnte, dass die Mikroben über spezielle Mechanismen verfügen, die ihnen helfen, Mutationen zu widerstehen. Die Forscher identifizierten Gene für DNA-Reparaturmechanismen, die die Mutationsraten reduzieren könnten, sowie Polymerase – die Enzyme, die die langen Ketten des genetischen Materials zusammensetzen –, die eine bessere Genauigkeit aufweisen als bei einigen anderen Organismen.
Dies habe potenzielle Anwendungen in der Biotechnologie, von diagnostischen Tests bis hin zur Gentherapie, sagten die Wissenschaftler. Abgesehen davon, wie wir es zu unserem eigenen Vorteil nutzen können, zeigt uns die Entdeckung, wie wenig wir über unseren seltsamen, wunderbaren und vielfältigen Planeten wissen.
„Diese Ergebnisse sind eine starke Erinnerung daran, dass die verschiedenen mikrobiellen Zweige, die wir am Baum des Lebens beobachten, sich in der Zeit seit ihrem letzten gemeinsamen Vorfahren stark unterscheiden können.“ Sagte Becraft .
„Das zu verstehen ist entscheidend für das Verständnis der Geschichte des Lebens auf der Erde.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Das ISME Journal .