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Wenn der Kamin nicht richtig zieht, bleibt jede
Menge Asche und angekohltes Holz zurück. Ähnlich ineffizient gehen
manche Bakterien mit ihrem Brennstoff um - beispielsweise die so
genannten "Nitrifizierer": Sie "verbrennen" Ammoniak zu Nitrit. Das
enthält aber immerhin noch soviel Energie, dass es einer zweiten
Nitrifizierer-Gruppe als Nahrung dient: Diese setzt es zum Endprodukt
Nitrat um. Bislang wurde noch kein Mikroorganismus entdeckt, der
Ammoniak direkt zu Nitrat umsetzt. Bekannt ist das schon seit 1890,
eine gute Erklärung dafür steht jedoch noch aus.
Eine solche meint Dr. Jan Kreft zusammen mit
Kollegen aus Barcelona nun gefunden zu haben. In einer kürzlich
veröffentlichten Studie zeigt der Mitarbeiter der Theoretischen
Biologie, dass kurze Stoffwechselwege einen evolutiven Vorteil
darstellen können - und zwar aus zwei Gründen: "Zunächst einmal wird
jeder Stoffwechselschritt in Organismen durch ein spezifisches
Zelleiweiß katalysiert, ein Enzym", erläutert Kreft. "Die
Zellmaschinerie kann aber nur eine bestimmte Enzymmenge pro
Zeiteinheit synthetisieren. Für eine Reaktionskette von fünf Schritten
muss das Bakterium fünf Enzyme herstellen, bei zehn Schritten
entsprechend zehn. Dazu benötigt die Zelle natürlich länger: Sie
produziert in derselben Zeit von jedem Enzym weniger Kopien." Folge:
Der Durchsatz durch die Stoffwechselkette sinkt.
Dazu kommt das Problem mit den Zwischenprodukten -
je mehr Glieder die Stoffwechselkette hat, desto mehr Schwund:
Zwischenprodukte können mit anderen Substanzen in der Zelle reagieren
oder sonstwie verloren gehen. Mitunter stören sie die geregelten
Abläufe in der Zelle und wirken giftig. Kurz: "Zwischenprodukte
verursachen Kosten", sagt Kreft. "Ein Bakterium wird daher versuchen,
ihre Gesamt-Konzentration möglichst niedrig zu halten - je länger die
Kette, desto niedriger die Konzentration der einzelnen
Zwischenprodukte." Das bremst den Durchsatz zusätzlich aus. Krefts
Fazit: "Ein zusätzlicher Schritt lohnt nur, wenn dabei viel
zusätzliche Energie herausspringt. Die Umsetzung von Nitrit zu Nitrat
bringt für den Aufwand einfach nicht genug ein." Nitrifizierer, die
sich die Arbeit teilen, wachsen daher schneller als
"Komplett-Verwerter" und setzen sich normalerweise durch - und das,
obwohl sie so schlechte Futterverwerter sind.
Wenn Nahrung ein knappes Gut ist, können sich
Bakterien diesen Luxus aber nicht leisten. Das ist beispielsweise in
so genannten "Biofilmen" der Fall - "das sind Bakterienbeläge, wie sie
zum Beispiel auf Steinen in Flüssen oder Kläranlagen vorkommen",
erklärt der Biologe. Die Mikroben in derartigen Schichten sind relativ
unbeweglich; zudem ist das Nahrungsangebot gerade in tieferen
Bereichen begrenzt. Wenn nun ein Bakterium die Nahrung unvollständig
nutzt, um dadurch schneller wachsen zu können, setzt es mehr Nahrung
weniger effizient um, weshalb in seiner Umgebung die
Nährstoffkonzentration stärker abnimmt: Seinen Nachbarn (die ja durch
Teilung aus ihm hervorgegangen sind) und ihm selbst droht die
Hungersnot.
Der "Stinkende Komplettverwerter" schont seine
Ressourcen
"Spar-Bakterien", die durch längere
Stoffwechselwege langsamer wachsen, dafür aber effizienter mit den
Ressourcen umgehen, lassen für ihre Nachbarn dagegen mehr übrig. In
Biofilmen sollten Komplettverwerter daher einen Selektionsvorteil
haben, weil sie noch das letzte Quentchen Energie aus ihrer Nahrung
herauskitzeln. "Um Bakterien zu finden, die den kompletten Weg vom
Ammoniak zum Nitrat katalysieren, muss man wahrscheinlich in Biofilmen
suchen", sagt Kreft.
Dass er und seine Kollegen Recht haben könnten,
beweist eine Mikrobe namens "Holophaga foetida". Der "stinkende
Komplettverwerter" (so die deutsche Bezeichnung) verwertet ringförmige
(aromatische) Kohlenstoff-Verbindungen und nutzt dazu einen relativ
langen Stoffwechselweg. Holophaga wächst langsam und kommt vor allem
in Sedimenten vor, wo er wahrscheinlich in Biofilmen wächst. Er hat
zwei Konkurrenten, die denselben Prozess arbeitsteilig in zwei
Schritten durchführen. Diese vermehren sich schneller als Holophaga,
sind aber dennoch seltener - eventuell wegen der schlechteren
Futterverwertung. |
