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Warum sind Kieselalgen so erfolgreich? 2009
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Meeeresalgen
Warum sind Kieselalgen so erfolgreich?
Kieselalgen (Diatomeen) spielen eine Schlüsselrolle für die Photosynthese in den Weltmeeren und werden deshalb intensiv untersucht. Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft haben in internationaler Zusammenarbeit eine neue Entdeckung zur Evolution der Photosynthese in Diatomeen gemacht. Bisher ging man davon aus, dass Diatomeen ihre Fähigkeit zur Photosynthese ausschliesslich von Rotalgen geerbt haben. Die Molekularbiologen haben jetzt gezeigt, dass sich im Genom der Diatomeen erhebliche Mengen an Erbmaterial finden, das von Grünalgen abstammt.

Die photosynthetischen Zellstrukturen der Diatomeen, vereinen somit Eigenschaften aus Rotalgen- und Grünalgenvorfahren, was ihren enormen Erfolg in den Weltmeeren erklären könnte. Die Ergebnisse werden nun in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift "Science" vorgestellt.

Die Photosynthese, Basis allen Lebens auf der Erde, wird je etwa zur Hälfte auf dem Land und im Meer erbracht. An Land sind vor allem komplexe grüne Pflanzen dafür verantwortlich, in den Meeren die Algen und zwar vorwiegend einzellige Vertreter. Darunter stellen die Kieselalgen (Diatomeen) mit einem Anteil von etwa 40 Prozent die wichtigste Gruppe.

Landpflanzen, Rot- und Grünalgen unterscheiden sich in ihrer evolutionären Geschichte grundsätzlich von den Diatomeen:

Sie entstammen der Symbiose eines photosynthetischen Bakteriums (Cyanobakterium) mit einer höher entwickelten, farblosen Wirtszelle mit Zellkern (eukaryotische Zelle). Da dabei eine Zelle als Symbiont in einer anderen Zelle lebt, nennt man den Vorgang Endosymbiose. Im Ergebnis entstanden so die photosynthetischen Organellen in Pflanzen- und Algenzellen, die Plastiden oder Chloroplasten.

Mittlerweile haben Valentin und sein Kollege Bànk Beszteri Spuren einer grünen Endosymbiose auch in anderen Meeresalgen entdeckt, die ähnlich wie Diatomeen ebenfalls aus einer sekundären Endosymbiose hervorgegangen sind. Dazu gehören beispielsweise die Braunalgen.

"Unser nächstes Ziel ist es nun herauszufinden, welchen Vorteil diese Form der Symbiose den Meeresalgen genau gebracht hat. Wir wollen diesen Vorteil quantifizieren und die Stoffwechselwege identifizieren, die in Diatomeen zusätzlich vorhanden sind oder besser funktionieren als in Rot- oder Grünalgen alleine. Vielleicht können wir so verstehen, warum die Algen mit sekundären Plastiden in den Meeren so erfolgreich sind während an Land Pflanzen mit primären Plastiden das Rennen gemacht haben."

Auch Diatomeen besitzen Plastiden, doch diese entwickelten sich, in dem zwei höhere Zellen miteinander verschmolzen: Eine eukaryotische Wirtszelle nahm einen photosynthetischen Rotalgen-Einzeller auf. Bei dieser sekundären Endosymbiose entstehen so genannte sekundäre Plastiden. Bisher ging man davon aus, dass die aufnehmende Zelle farblos und nicht photosynthetisch war.

"In einer internationalen Zusammenarbeit gelang es uns zu zeigen, dass die aufnehmende Wirtszelle bereits Chloroplasten besass, die denen von Grünalgen ähneln. In den Genomen von zwei Diatomeen-Arten konnten wir Spuren dieser "kryptischen" Chloroplasten entdecken", erklärt Klaus Valentin, Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung.

Tatsächlich fänden sich in den Genomen sogar mehr Spuren des Grünalgen - als des Rotalgen-Vorfahren. Daraus könne man schliessen, dass die Plastiden heutiger Diatomeen tatsächlich eine Mischform aus zwei Plastidentypen, denen aus Grünalgen und Rotalgen, darstellen. "Diatomeen verfügen dadurch wahrscheinlich übermehr stoffwechselphysiologisches Potenzial als jede der beiden Ausgangstypen einzeln, was den grossen Erfolg der Diatomeen in den Meeren erklären könnte", so Valentin weiter. "Ihre Plastiden könnten quasi das "Beste beider Welten" vereinen."

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Der Originaltitel der Science-Veröffentlichung lautet:

"Genomic footprints of a cryptic plastid endosymbiosis in diatoms. During their evolution the dominant phytoplankters in the world's oceans sampled genes from both red and green algae." (Autoren: Ahmed Moustafa, Bánk Beszteri, Uwe G. Maier, Chris Bowler, Klaus Valentin, Debashish Bhattacharya)

Quelle: Text Alfred-Wegener-Institut 2009
Photosynthese
Mit der Photosynthese stellen Pflanzen mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid Kohlenhydrate her. Algen gewinnen die Energie, die sie für die Photosynthese benötigen, durch die Absorption des Sonnenlichts mit bestimmten Pigmenten wie dem Chlorophyll.
Erbfaktoren - Gene - Genome - DNA

Zu den Hauptbestandteilen eines Zellkerns gehören die «Nukleoproteide». «Nukleoproteide» sind Substanzen, die aus «Nukleinsäuren» und einem Protein (Eiweiss) bestehen. Die «Nukleinsäuren» steuern die Bildung der Enzyme in den Zellen. Sie sind damit die Träger der «Erbfaktoren = Gene = Genome». Eine wichtige «Nukleinsäuren» ist die «Desoxyribonukleinsäure (DNS)». Die DNS wird auch DNA (engl. A = Acid = Säure) genannt. Die DNS ist in den Chromosomen lokalisiert. Bei der Zellkernteilung werden die Chromosomen längs geteilt. Jeder der geteilten Zellkerne enthält jeweils die Hälfte jedes einzelnen Chromosoms.

Die DNA enthält den gesamten Bauplan eines Organismus. Aufgrund dieser Anleitung weiss jede Zelle, wie sie sich entwickeln und welche Aufgabe sie erfüllen muss.

Die Chromosomen (griech: Farbkörper) befinden sich in den Zellen von Lebewesen. Der wichtigste Bestandteil der Chromosomen ist bei den meisten Lebewesen die «Desoxyribonucleinsäure (DNS). Die Chromosomen sind die Träger der Erbanlagen. Die Reihenfolge der Gene in den Chromosomen ist ein wichtiger Indikator für die Identität eines Lebewesens.
Cyanobakterien

Cyanobakterien spielen eine der Hauptrollen in den globalen Kreisläufen von Kohlenstoff und Stickstoff. Umgangssprachlich werden die Einzeller oft als Blaualgen bezeichnet, aufgrund ihrer Biologie gehören sie aber zu den Bakterien. Als eines der ersten Lebewesen waren die Vorläufer der heutigen Cyanobakterien vor über zwei Milliarden Jahren in der Lage, Wasser zu spalten und Sauerstoff zu produzieren: Sie betrieben Photosynthese und reicherten damit die Atmosphäre mit Sauerstoff an. Unterdessen sind etwa 2'000 Arten bekannt, als Teil der untersten Stufe der Nahrungskette sind sie Lebensgrundlage für viele Tiere.

Cyanobakterien haben sie sich an extreme Bedingungen angepasst: Sie besiedeln Wüsten, Süss- und Salzwasser, leben in heissen Quellen oder auf salzhaltigen Steinen und sind von den Tropen bis zu den Polen zu finden.


Algen Salzwasser- und Süsswasseralgen
Seen Methanfresser leben vom Sauerstoff der Nachbarn
Arktische Biodiversität
Phytoplanktonproduktion in der Arktis
Grönland Phytoplanktonblüte in den Fjorden
Temperaturen beeinflussen die Cyanobakteriengemeinschaft in Gewässern

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