Extremophile Bakterien
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Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Extremophile Bakterien Magdalena Brunner 25. Mai 2011 Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung 3 Domänen Modell Unterteilung des ”Tree of Life” in 3 Gruppen Unterschiede von rRNA Sequenzen als Klassifikationskriterium → evolutionärer Stammbaum Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung 3 Domänen Modell Eukaryoten Lebewesen mit Zellkern und Kernmembran meist größere Zellen als Prokaryoten Prokaryoten zelluläre Lebewesen ohne Zellkern Bakterien Archaea: viele extremophile Arten, stehen Eukaryoten sehr nahe Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Verschiedene Arten der Extremophilie Thermophilie Psychrophilie/Kryophilie Halophilie Acidophilie und Alkaliphilie Barophilie/Piezophilie Radiophilie Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Thermophilie Umweltbedingungen Topt 40 − 80◦ C , Tmax 121◦ C Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Thermophilie Umweltbedingungen Topt 40 − 80◦ C , Tmax 121◦ C Natürliche Konsequenzen Aufbrechen von chemischen Verbindungen → DNA & Proteine Über 75◦ C Degeneration von Chlorophyll Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Thermophilie Umweltbedingungen Topt 40 − 80◦ C , Tmax 121◦ C Natürliche Konsequenzen Aufbrechen von chemischen Verbindungen → DNA & Proteine Über 75◦ C Degeneration von Chlorophyll Vorkommen Geysire, hydrothermale Quellen (Black Smokers) Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Thermophilie Organismen Pyrolobus fumarii, Strain 121 (Archaea) Pompeji Wurm (Eukaryoten) Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Alvinella Pompejana (Pompeji Wurm) Gattung: Alvinella, Eukaryoten Lebensraum: hydrothermale Quellen, östlicher Pazifischer Ozean Merkmale und Lebensweise: 10 bis 13cm lang, weiß-grau symbiotische Bakterienkolonien In Röhren an Black Smokers ∼ 80◦ C Ruhezustand für Eier bei zu niedriger Temperatur Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10◦ C bis 20◦ C , Topt 15◦ C Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10◦ C bis 20◦ C , Topt 15◦ C Natürliche Konsequenzen Gefrieren von zelleigenem Wasser erstarrte Zellmembran → ”Frostschutzmittel” (z.B. Glycerin), ungesättigte Fettsäuren in der Zellmembran Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10◦ C bis 20◦ C , Topt 15◦ C Natürliche Konsequenzen Gefrieren von zelleigenem Wasser erstarrte Zellmembran → ”Frostschutzmittel” (z.B. Glycerin), ungesättigte Fettsäuren in der Zellmembran Vorkommen Arktis, Antarktis; eingeschlossen in Flüssigkeitsbläschen in tiefen, kalten Wasserschichten von Ozeanen Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Psychrophilie/Kryophilie Organismen Chlamydomonas nivalis (Algen, Eukaryoten) Flavobacterium islandicum (Bakterien) Methanogenium frigidum (Archaea) Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Chlamydomonas nivalis (Schneealge) Gattung: Chlamydomonas, Grünalgen, Eukaryoten Lebensraum: Schnee/Eis; polare Gebiete und Gebirge Merkmale und Lebensweise: 10 bis 20µm große Zellen rote Färbung wegen Carotinoiden → Schutz vor intensiver UV-Strahlung Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung) Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung) Natürliche Konsequenzen Wasserverlust der Zellen Beeinträchtigung der Stoffwechselprozesse → Regulation der zelleigenen Salzkonzentration Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung) Natürliche Konsequenzen Wasserverlust der Zellen Beeinträchtigung der Stoffwechselprozesse → Regulation der zelleigenen Salzkonzentration Vorkommen Salzseen, Verdunstungsbecken, Küstenstreifen Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Organismen Halobacterium (Archaea) Dunaliella (Eukaryoten) Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Halobacterium Gattung: Archaea Lebensraum: saline Gebiete mit Salzkonzentrationen bis zu 5.2Mol Merkmale und Lebensweise: Aerob oder anaerob ausgefallene Zellformen möglich (Rechtecke, Dreiecke) Bacteriorhodopsin als “Protonenpumpe“ zur Energiegewinnung Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen pH Wert < 3 oder pH Wert > 9 Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen pH Wert < 3 oder pH Wert > 9 Natürliche Konsequenzen Instabilität von Proteinen und DNA → gestörte Biochemie Zu hohe oder verminderte Reaktionsfähigkeit von H+ Ionen → pH Wert im Cytoplasma neutral gehalten, angepasste Protonen-Pumpen-Effizienz Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen pH Wert < 3 oder pH Wert > 9 Natürliche Konsequenzen Instabilität von Proteinen und DNA → gestörte Biochemie Zu hohe oder verminderte Reaktionsfähigkeit von H+ Ionen → pH Wert im Cytoplasma neutral gehalten, angepasste Protonen-Pumpen-Effizienz Vorkommen Acidophile: vulkanische Böden, Abwasser von Metallgewinnung Alkaliphile: carbonathaltige Böden, Sodaseen Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Acidophilie und Alkaliphilie Organismen Acidophile: Acidobacterium (Bakterien), Sulfolobus (Archaea) Alkaliphile: Spirulina (Bakterien), Nitrobacter (Bakterien) Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Sulfolobus acidocaldarius Gattung: Archaea Lebensraum: hydrothermale Quellen, Vulkane Merkmale und Lebensweise: Aerob, chemoautotroph lebt bei ∼ 75◦ C und pH Werten von 2-3 oxidieren Eisen, Schwefel, Schwefelwasserstoff und Schwefelsäure Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck Natürliche Konsequenzen Verdichtung der Lipide in den Membranen → verminderte Membran-Fluidität Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck Natürliche Konsequenzen Verdichtung der Lipide in den Membranen → verminderte Membran-Fluidität Vorkommen Tiefsee Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Barophilie/Piezophilie Organismen Photobacterium profundum (Bakterien) Pyrococcus (Archaea) Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Photobacterium profundum Gattung: Bakterien Lebensraum: Tiefsee Merkmale und Lebensweise: optimales Wachstum bei 9 - 15 ◦ C und 0.1 - 70MPa 2 - 4µm lang Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung) Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung) Natürliche Konsequenzen Schäden an der DNA Verhinderung der Replikation Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung) Natürliche Konsequenzen Schäden an der DNA Verhinderung der Replikation Vorkommen Hochgebirge, Abwasser von Atomreaktoren Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Radiophilie Organismen Cryptococcus neoformans (Eukaryoten) Deinococcus radiodurans (Bakterien) Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Deinococcus radiodurans Gattung: Bakterien Lebensraum: Radioaktives Kühlwasser von Atomreaktoren, menschlicher Darm, antarktisches Gestein Merkmale und Lebensweise: Nahezu immun gegen ionisierende Strahlung Perfektionierter DNA-Reparaturmechanismus Starke Zellwand, 4 bis 10 Kopien des Genoms Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Zusammenhang mit Habitabilität Frage: Wenn auf der Erde Extremophile an die unmöglichsten Umweltbedingungen angepasst sind, warum nicht auch auf anderen, für uns nicht habitablen, Planeten? Mögliche Szenarien: Entstehung von Extremophilen in habitablen Bedingungen → Anpassung an extreme Bedingungen Entstehung in extremen Bedingungen → Extremophile als “universeller” Bestandteil des Lebens Entstehung unter habitablen Bedingungen, Panspermie → wo ist der Ursprung? Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Tardigrada (Bärtierchen) Gattung: Eukaryoten Lebensraum: Meere, Süßwasser, Moose, Waldboden Merkmale und Lebensweise: bis zu einem mm groß, 8 Beine geschlechtliche und ungeschlechtliche Fortpflanzung Pflanzenzellen oder kleine Tiere als Nahrung (Fadenwürmer) Oft Wachstum durch Zellwachstum und nicht Zellvermehrung Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Tardigrada (Bärtierchen) Besondere Eigenschaften Starke Strahlungsresistenz Zysten/Tönnchenbildung zum Abschirmen gegen schädliche Umweltbedingungen Kryptobiose (kälteresistenter, “todesähnlicher” Zustand) Überlebt bis zu 10 Tage im All Diskussion: Überadaption nicht Folge von natürlicher Selektion → Zeichen von extraterrestrischem Ursprung? Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung Zusammenfassung Mikroorganismen in den unterschiedlichsten Lebensbedingungen bekannt Extremophile aus allen 3 Domänen Einige Arten sehr resistent gegen Strahlung und kryoresistent → Panspermie möglich? Bewohnte Planeten außerhalb erdähnlicher Habitabilität durchaus denkbar Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Referenzen R. Cavicchioli. Extremophiles and the Search for Extraterrestrial Life. Astrobiology, 2:281–292, August 2002. H. J. Cleaves and J. H. Chalmers. Extremophiles May Be Irrelevant to the Origin of Life. Astrobiology, 4:1–9, March 2004. Applied Network Research. Hpwren - research and education network. http://hpwren.ucsd.edu/news/050923.html. L.J. Rothschild and R.L. Mancinelli. Life in extreme environments. Nature, 409:1092–1101, February 2001. Zusammenfassung
