Wie Bakterien einem Meereswurm das Überleben sichern

Die Forscherin Nicole Dubilier steht vor einer Tafel und gestikuliert mit den Händen.

Tiefsee

Wie Bakterien einem Meereswurm das Überleben sichern

Von Inka Reichert

Weder Mund, Magen noch Darm hat Olavius algarvensis – und trotzdem kann der Meereswurm sich ernähren: Bakterien helfen ihm. Die winzigen Einzeller sitzen in seiner Haut, liefern ihm Nährstoffe und entsorgen zugleich die Abfälle.
Für die Meeresbiologin Nicole Dubilier ist der Wurm das Beispiel für eine Symbiose, für das Zusammenleben von Lebewesen. Die Wissenschaftlerin vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen leitet die Abteilung für Symbiose-Forschung. Jede Art – ob Tier oder Pflanze – arbeitet auf die ein oder andere Weise mit anderen Arten zusammen, sagt Dubilier.

Tiefseemuschel mit Ketchup

Wenn Nicole Dubilier einen Vortrag über ihre Forschung hält, lauschen ihre Zuhörer gebannt. "Ihre Faszination und Neugier sind unglaublich ansteckend", sagt Jillian Petersen, die am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie gemeinsam mit Dubilier Symbiosen von Meeresorganismen erforscht.

"Während einer Forschungsreise auf See hat sie einmal aus reiner Neugier eine Tiefseemuschel probiert", sagt Petersen. Mit Ketchup sei sie genießbar, habe Dubilier damals kommentiert.

Dabei wollte Nicole Dubilier eigentlich nie Forscherin werden, schon eher Balletttänzerin. Biologie war eines ihrer schlechtesten Fächer in der Schule. Einzig ihre Liebe zum Meer brachte sie schließlich in die Wissenschaft.

Dubilier wuchs in Manhattan auf und fuhr jeden Sommer mit ihren Eltern ans Meer. Mit 18 Jahren stand ihr Wunsch fest: Ich will Meeresbiologin werden! "Ich hatte die naive Vorstellung, jeden Tag auf See zu verbringen", sagt sie heute. Dass die gebürtige Amerikanerin dafür auch Biologie büffeln musste, nahm sie in Kauf.

Auf den Wurm gekommen

Heute leitet Nicole Dubilier die Abteilung "Symbiose" am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Ihr Arbeitsalltag hat mit ihren jugendlichen Vorstellungen kaum was gemein: Weder ist sie jeden Tag im Meer, noch arbeitet sie mit Delfinen und Walen, wie es ihr einst vorschwebte.

Stattdessen prangt an ihrer Bürotür das selbstironische Namensschild: "Nicole von Wurm". Und das aus gutem Grund: Eines ihrer Vorzeigeprojekte ist der Meereswurm "Olavius algarvensis".

Seinen Namen verdankt das Tier seinem Entdecker und Hamburger Professor Olav Giere. Olavius steht für Olav – algarvensis für seinen ersten Fundort, die Algarve. Olavius ist schlank, mit seinen 0,2 Millimetern Durchmesser ein echtes Magermodel der Würmerwelt.

Und in der Tat: Der marine Wurm frisst keinen Bissen. Er hat weder einen Mund noch einen Magen oder Darm, geschweige denn einen After. Der Verdauungstrakt fehlt vollständig. Und doch lebt er!

Weißer, dünner Wurm kringelt sich vor schwarzem Hintergrund.

"Olavius algarvensis" braucht keinen Darm

Ungewöhnliche Lebensorte

Bereits Anfang der 1980er Jahre beobachteten US-Wissenschaftler am Grund der Tiefsee rätselhafte Würmer mit einem ähnlich reduzierten Verdauungssystem wie Olavius algarvensis. Diese Röhrenwürmer tummeln sich zu Massen an den so genannten "Schwarzen Rauchern".

Das sind kochend heiße Quellen, die aus dem Erdinneren sprudeln und schwarzes Wasser gemischt mit Schwefelwasserstoff ausspucken. Dieses Gas wirkt auf fast alle Tiere wie ein Gift. Es ist der gleiche Stoff, der faule Eier so übel riechen lässt.

Doch der Röhrenwurm und seine kleinen Helfer fühlen sich hier offenbar wohl. Irgendwann in seiner Evolution hat sich der Wurm Bakterien einverleibt, die den Schwefelwasserstoff chemisch umsetzen – und damit unschädlich machen. Die Bakterien gewinnen Energie durch Sulfid-Oxidation.

Die Energie brauchen sie, um in der Tiefsee überleben zu können. Und die Bakterien versorgen nicht nur sich selbst, auch dem Röhrenwurm helfen sie über die Runden: Sie beliefern ihn mit Energie und anderen Nährstoffen.

Im Gegenzug garantiert der Wurm als Wirt seinen Bakterien-Gästen eine exquisite Wohnlage nahe der Nahrungsquelle. Eine Symbiose zweier Lebewesen zum gegenseitigen Nutzen.

Quellen sprudeln aus felsigen Gebilden am Meeresgrund.

Ein schwarzer Raucher am Grund der Tiefsee

"Dass ein Zusammenleben so gut funktionieren kann, finde ich bis heute faszinierend", sagt Nicole Dubilier. Während ihrer Doktorarbeit widmete sie sich noch anderen Themen. Zu dieser Zeit zweifelte sie noch grundsätzlich, ob eine wissenschaftliche Karriere überhaupt das Richtige für sie sei.

Als jedoch das Thema "Symbiose" für ihre Postdoc-Stelle aufkam, war sie schnell Feuer und Flamme. Was sie daran mag: Es sind nicht bloß Egoismus und Konkurrenz, die zu Evolution führen. Es sind auch Zusammenarbeit und Gegenseitigkeit, die als Motor für Entwicklungen wirken.

Dieser Gedanke entspricht eher ihrem Weltbild. "Indem man zusammenarbeitet, ist man häufig stärker und erfolgreicher als alleine", sagt Dubilier. Und das zeigt sich auch in ihrem ganz persönlichen Umgang mit Mitmenschen. "Nicole war immer eine Person, der Teamwork besonders wichtig war", sagt Jillian Petersen über ihre Gruppenleiterin.

Dubilier löst das Wurmrätsel

Olaf Giere, der Doktorvater von Dubilier, entdeckte den Wurm Olavius algarvensis Ende der 1990er Jahre nur durch einen Zufall. Er fand den Wurm auch dort, wo es eigentlich keine Sulfide gibt: im Sediment der Bucht Capo di Sant‘Andrea in Italien.

Erste Untersuchungen ergaben: Dieser Wurm stützte sich offenbar nicht nur auf ein Bakterium, sondern auf mindestens zwei. Doch wie sich die Einzeller ohne die Sulfide ernähren, blieb ein Rätsel – bis Nicole Dubilier den Wurm genauer untersuchte.

Um das Mysterium zu lösen, schaute sie sich die Gene der Bakterien an: Sie entschlüsselte den molekularen Personalausweis der Bakterien, die 16S-rRNA-Gene. Das Ergebnis: Der Wurm lebte mit zwei Bakterien in Symbiose. Ein Wirt, zwei Symbionten. Dubilier veröffentlichte einen Artikel über die harmonische Dreierkiste im Wissenschaftsmagazin "Nature".

Da kein oder zu wenig Schwefelwasserstoff im Sediment enthalten ist, hat sich der Flachwasserwurm offenbar eine Schwefelwasserstoffquelle einverleibt: ein Bakterium, das Sulfat in Sulfid umwandelt. Den Schwefelwasserstoff wiederum verwerten die altbekannten sulfidoxidierenden Bakterien als Energiequelle. Eine Win-Win-Situation für alle: Jeder gibt etwas, das dem anderen hilft.

Die Forscherin Nicole Dubilier hantiert mit Pipetten auf der Ablage eines Mikroskops.

Nicole Dubilier identifizierte die Bakterien im Wurm

Teamwork als Motor der Evolution

"Mittlerweile wissen wir, dass nicht nur zwei, sondern sogar fünf verschiedene Bakterienarten in dem Wurm leben", sagt Dubilier. Die genaue Funktion aller Beteiligten zu ergründen, daran forscht die Gruppe von Nicole Dubilier weiter. Eines ist jedoch klar: Allein auf sich gestellt würde keiner der Organismen überleben.

"Viel zu lange wurde die Zusammenarbeit verschiedener Lebewesen in der Biologie vernachlässigt", sagt die Biologin. Erst allmählich habe sich in der Evolutionsforschung die Erkenntnis durchgesetzt, dass sich die Artenvielfalt nicht nur über Konkurrenz entwickelt. Auch die Symbiose sei eine der treibenden Kräfte.

Selbst der Mensch könne ohne seine rund tausend symbiotischen Bakterienarten im Darm nicht überleben, sagt Dubilier. Das Verdauungssystem würde zusammenbrechen.

Die Forscherin Nicole Dubilier betrachtet zusammen mit Mitarbeitern eine Karte der Tiefsee mit bunten Linien.

Dubilier und ihr Team betrachten eine Tiefseekarte

Sind Viren nützliche Symbionten?

Mit ihrer Forschung an Olavius erhofft sich Nicole Dubilier, auch irgendwann die noch viel komplexeren Symbiosen im Menschen besser zu verstehen. Sie ist sicher: Auf uns warten noch viele Überraschungen. So könnten selbst Viren in der Symbiose-Forschung ihren Ruf als Krankmacher verlieren.

"In unseren Würmern sehen wir, dass auch Viren vorhanden sind", sagt Dubilier. Diese Viren scheinen jedoch nicht aktiv zu sein, denn sie zerstören die Symbiose-Population nicht. "Es muss sich also ein symbiotisches Zusammenleben zwischen den Tieren, den Bakterien und den Viren entwickelt haben", sagt die Forscherin.

Für die Meeresbiologin ist das eindeutig eines der spannendsten Forschungsfelder der Zukunft, an dem sie auch in den kommenden Jahrzehnten weiter forschen wird.

Stand: 18.07.2016, 11:00

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