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Astropage.eu | Datum: 25.02.2012 - 00:02 | Fehler melden
Tags: geothermale Quellen, Mikroben, Artbildung, Chromosomen, Gene
Kategorien: Biologie Quelle

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Auf frischer Tat ertappt: Wissenschaftler entdecken Artbildung bei Mikroben



Eine geothermale Quelle in der Mutnovsky-Vulkanregion in Kamtschatka, Russland (Photo by Rachel Whitaker)
Credit: Eine geothermale Quelle in der Mutnovsky-Vulkanregion in Kamtschatka, Russland (Photo by Rachel Whitaker)

In einer heißen Quelle in Kamtschatka (Russland) teilten sich vor gar nicht langer Zeit zwei Gruppen genetisch nicht zu unterscheidender Mikroben. Sie begannen sich in verschiedene Arten zu entwickeln - trotz der Tatsache, dass sie sich in ihrem sauren, kochenden Lebensraum immer noch begegneten und von Zeit zu Zeit sogar Gene austauschten, berichten Wissenschaftler. Dies ist das erste Beispiel für sympatrische Artbildung bei einem Mikroorganismus.

Die Theorie der sympatrischen Artbildung (eine Abstammungslinie teilt sich in zwei oder mehr Arten, ohne dass physikalische oder mechanische Barrieren sie auseinander halten) sei kontrovers und schwer zu beweisen, vor allem bei Mikroben, sagte die Studienleiterin Rachel Whitaker, Professorin für Mikrobiologie an der University of Illinois in Champaign.

"Eine der großen Fragen seit Darwin ist: wie trennen sich Spezies voneinander, wenn sie zusammenleben?", sagte sie. Die Frage wurde bislang nicht sehr zufriedenstellend beantwortet, auch nicht in den Makroorganismen, die wir seit hunderten Jahren studieren."

Bakterien und ihre entfernt verwandten mikrobiellen Cousins, die Archaeen, seien sogar noch schwieriger zu untersuchen, weil sie so viele Möglichkeiten besitzen, genetische Informationen miteinander zu teilen, sagte Whitaker. Die Mikroben teilen sich und erzeugen exakte oder fast exakte Klone von sich selbst. Wenn das ihre einzige Möglichkeit wäre, sich zu etablieren, wäre ihre genetische Vielfalt als Folge von ein paar zufälligen Kopierfehlern und Mutationen ziemlich niedrig, sagte Whitaker. Aber sie können sich auch miteinander verbinden, um Gene in beide Richtungen auszutauschen, zufällige genetische Elemente aus der Umgebung aufsaugen und neue Gene der Viren aufnehmen, von denen sie und ihre Nachbarn infiziert werden.

Bevor Wissenschaftler in der Lage waren, die genetischen Informationen einzelner Mikroben zu analysieren, war es schwer, sie zu unterscheiden - so sehr, dass sie einst Bakterien und Archaeen verwechselten. Jetzt wissen die Forscher, dass Archaeen eine eigene Domäne des Lebens bilden und von Bakterien so verschieden sind, wie sich Pflanzen von Tieren unterscheiden.

"Wann immer wir gucken und wo immer wir gucken, sehen wir mit Hilfe dieser molekularen Werkzeuge Veränderungen in mikrobiellen Populationen", sagte Whitaker. "Man muss diese Moleküle, diese DNA-Sequenzen benutzen, um Unterschiede zwischen den Arten festzustellen." Aber sogar mit neuen Sequenzierungsmethoden ist es eine gewaltige Aufgabe, die mikrobielle Entwicklung zu untersuchen.

Whitaker und ihre Kollegen konzentrierten sich auf Sulfolobus islandicus, einen hitzeliebenden Organismus aus der archaeischen Domäne des Lebens, weil er einer von wenigen Mikroorganismen ist, der in eigenen "Insel"-Populationen lebt, welche von heißen geothermalen Quellen geschaffen wurden.


Eine heiße geothermale Quelle im Yellowstone Nationalpark, vergleichbar mit der von den Wissenschaftlern untersuchten Quelle (University of Illinois)

"Wir betrachten eine Umgebung, die in mikrobieller Hinsicht nicht sehr komplex ist", sagte Whitaker. "Es gibt nicht viele Organismen, die damit zurechtkommen und die, die es können, wandern nicht sehr oft umher."

Die Forscher sequenzierten die Genome von zwölf S. islandicus-Stämmen aus einer einzigen heißen Quelle in der Mutnovsky-Vulkanregion in Kamtschatka. Unter Verwendung der neuen Softwareprogramme ClonalFrame und ClonalOrigin verglichen die Forscher die Sequenzen an mehreren Stellen des einzelnen Chromosoms der Mikrobe und waren in der Lage, die genetische Geschichte jedes Stammes zu rekonstruieren. Die Analyse offenbarte unter den zwölf Stämmen zwei verschiedene Gruppen von S.islandicus. Die Mikroben tauschten mehr Gene mit Mitgliedern ihrer eigenen Gruppe aus, aber teilten weniger Gene mit der anderen Gruppe als erwartet. Und der Austausch genetischen Materials zwischen den beiden Gruppen nahm mit der Zeit ab.

Das deute darauf hin, dass die zwei Gruppen schon separate Spezies waren, obwohl sie denselben Lebensraum miteinander teilten, sagte Whitaker. Die Unterschiede zwischen den beiden Gruppen waren gering, aber die Artbildung war klar im Gange.

Als sie die Veränderungsmuster genauer betrachteten, sahen die Forscher ein Mosaik aus Unterschieden auf dem Chromosom, ausgedehnte "Kontinente" der Veränderung und kleinere "Inseln" der Stabilität. Diese Inseln repräsentieren wahrscheinlich Regionen, die unter selektivem Druck stehen; etwas in ihrer Umgebung sondert die Mikroben aus, welche diese Gene oder Genanlagen nicht besitzen. Die variablen Regionen sind veränderlicher, Gene kommen und gehen (ein Prozess, der als Rekombination bezeichnet wird) und Mutationen erhöhen die Vielfalt.

Die Ergebnisse würden den ersten Beleg dafür liefern, dass sympatrische Artbildung bei einer Mikrobe auftritt, sagte Whitaker.

"Wir haben sie bei der Artbildung ertappt", sagte sie. "Sie tauschen tatsächlich ein paar Gene aus - wenn auch nicht sehr viele. Also wissen wir, dass keine geografische oder mechanische Barriere nötig ist, damit die Rekombination für die Artbildung auftreten kann. Notwendig ist nur Selektion, die die zwei Gruppen auseinander zieht, was vorher niemand wusste."

Diese Studie liefere einen ersten Einblick in die tiefgreifende genetische Vielfalt, die wahrscheinlich überall in frei lebenden mikrobiellen Populationen auftritt, sagte Whitaker.

"Was wir als zwei verschiedene Spezies sehen, ist ein 0,35-prozentiger Unterschied auf dem Chromosom; das ist etwa ein Drittel des Unterschieds zwischen Menschen und Schimpansen", sagte sie. Die zwei individuellen Mikrobengruppen sind einander um "Größenordnungen" ähnlicher als Gruppen, die normalerweise als separate Spezies angesehen werden.

"Das bedeutet, die Anzahl der Mikrobenarten ist um Größenordnungen höher als wir jemals gedacht hatten", sagte sie. "Und das ist schon ziemlich verblüffend."

Die Studie erscheint im Journal PLoS Biology. Das Forschungsteam umfasste Wissenschaftler der Arizona State University, der University of California in Davis und der University of Oxford.

(THK)



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