Extreme temperature exposure has negative demographic consequences for Sulfolobus acidocaldarius

Tief in den dampfenden Schloten geothermischer Quellen, wo das Wasser nahe dem Siedepunkt brodelt, findet das Leben einen Weg zu existieren. Diese Umgebungen sind keine statischen Öfen; es sind chaotische Orte, an denen heißes Wasser mit kühlerem Grundwasser vermischt wird, wodurch eine sich ständig verändernde Temperaturlandschaft entsteht. Ein Mikroorganismus, der hier lebt, könnte in einem Moment in angenehmer Wärme gebadet werden und im nächsten plötzlich von einer fast siedenden Welle erfasst werden. Wissenschaftler wissen schon lange, dass bestimmte Mikroben, speziell eine Art von einzelligen Organismen namens Archaeen, unter diesen extremen Bedingungen überleben können. Eine entscheidende Frage blieb jedoch unbeantwortet: Wie beeinflusst das Muster dieser Hitze sie? Es ist eine Sache zu wissen, dass ein Lebewesen einen einzelnen Hitzeschlag übersteht, aber es ist etwas anderes zu verstehen, was passiert, wenn diese Hitze wiederholt auftritt oder über einen langen Zeitraum anhält. Erholt sich der Organismus einfach, oder zehrt die wiederholte Belastung die Population langsam auf, selbst wenn kein einzelnes Ereignis sie direkt tötet?

Forscher gingen vor, um diese Dynamik mithilfe eines bekannten hitzeliebenden Mikroorganismus namens Sulfolobus acidocaldarius zu untersuchen. Dieser Organismus gedeiht normalerweise in Temperaturen zwischen 65 und 85 Grad Celsius, aber die geothermischen Quellen, die seine Heimat sind, können Temperaturen nahe dem Siedepunkt von etwa 94 Grad Celsius erreichen. Um zu verstehen, wie diese Mikroben damit umgehen, entwarfen die Wissenschaftler Experimente, die zwei verschiedene Arten imitierten, wie Hitze auf eine Population treffen könnte. Im ersten Szenario setzten sie die Mikroben einer einzigen, kontinuierlichen Phase extremer Hitze aus, wobei die Dauer von wenigen Minuten bis zu über zwei Stunden variierte. Im zweiten Szenario simulierten sie eine chaotischere Umgebung, indem sie die Mikroben kurzen, fünfzehnminütigen Hitzeschüben aussetzten, gefolgt von einer Erholungsphase unter angenehmen Bedingungen, wobei dieser Zyklus neunmal wiederholt wurde. Sie testeten auch eine spezifische genetische Variation der Mikroben, um zu sehen, ob ein defektes DNA-Reparatursystem sie anfälliger machte, aber die Ergebnisse zeigten, dass dieser genetische Unterschied das Ergebnis nicht veränderte.

Die Ergebnisse zeichneten eine klare und etwas überraschende Geschichte über das Überleben. Wenn die Mikroben der extremen Hitze für nur fünfzehn Minuten ausgesetzt waren, erlitten sie keinen nachweisbaren Verlust an Lebensformen. Sie konnten in ihre angenehme Umgebung zurückkehren und wieder genauso stark wachsen wie zuvor. Doch als die Dauer dieser einmaligen Hitzeexposition zunahm, wurde die Belastung schwerwiegend. Nach dreißig Minuten sank die Zahl der lebenden Zellen um den Faktor einhundert. Nach sechzig Minuten fiel sie um zehntausend. Als die Exposition zwei Stunden erreichte, war die Population um das Hunderttausendfache geschrumpft. Dies deutet darauf an, dass es keinen einzelnen „Kipppunkt“ gibt, an dem die Hitze alle sofort tötet; stattdessen häuft sich der Schaden über die Zeit an, und je länger die Hitze anhält, desto weniger Überlebende bleiben übrig, um die Population wieder aufzubauen.

Die Geschichte wurde noch nuancierter, als die Forscher sich die wiederholten, kurzen Hitzeschübe ansah. Obwohl ein einzelner fünfzehnminütiger Schlag harmlos war, konnte die Population neun davon hintereinander nicht verkraften. Mit jedem Zyklus aus Hitze und Erholung verringerte sich die Gesamtzahl der Mikroben. Die Population passte sich nicht an und wurde stärker, wie man es bei wiederholtem Stress vielleicht erwarten würde; stattdin schwand sie langsam dahin. Dies zeigt, dass die Fähigkeit, ein einzelnes Ereignis zu überleben, nicht die Fähigkeit garantiert, eine Serie von Ereignissen zu überstehen. Der Schaden durch eine einzige Exposition kann die Population leicht schwächen, sodass die nächste Exposition einen schwereren Tribut fordert, was zu einem langsamen Rückgang führt, der nicht vorhersehbar wäre, wenn man ein einzelnes Ereignis isoliert betrachtet.

Die Studie befasste sich auch mit einer spezifischen biologischen Frage bezüglich der Art und Weise, wie diese Organismen ihren genetischen Code reparieren. Die Forscher vermuteten, dass ein defektes DNA-Reparatursystem die Mikroben anfälliger für Hitzeschäden machen oder deren Erholung erschweren könnte. Sie verglichen normale Mikroben mit solchen, bei denen ein spezifisches Gen ausgeschaltet war, was verhindert, dass bestimmte Arten von genetischen Fehlern korrigiert werden. Überraschenderweise verhielten sich die Mikroben mit dem defekten Reparatursystem exakt wie die normalen. Sie überlebten die kurzen Schübe und starben während der langen Expositionen gleichermaßen. Dieser Befund legt nahe, dass dieser spezifische Reparaturmechanismus zumindest über die getesteten Zeiträume hinweg nicht der entscheidende Faktor dafür ist, ob die Population überlebt oder zugrunde geht.

Letztlich zeichnen diese Erkenntnisse ein Bild des Lebens in geothermischen Quellen als ein empfindliches Gleichgewicht von Zeit und Ausdauer. Die Fähigkeit von Sulfolobus acidocaldarius, in solch extremen Umgebungen zu bestehen, hängt weniger von einem festen Limit dessen ab, wie heiß es werden kann, sondern vielmehr davon, wie lange es die Hitze ertragen muss und wie oft sie diese Hitze ertragen muss. Kurze, nahe am Siedepunkt liegende Ereignisse sind überlebbar, aber eine längere Exposition oder eine Serie wiederholter Schocks fordern einen schweren demografischen Preis. Dies hilft zu erklären, wie diese mikroskopischen Gemeinschaften in der Natur verteilt sind: Sie können vielleicht durch die heißesten Teile einer Quelle reisen, wenn die Passage schnell erfolgt, aber wenn sie zu lange in einer heißen Tasche feststecken oder wenn die Hitze immer wiederkehrt, wird ihre Zahl schrumpfen. Die Studie verdeutlicht, dass in der Natur der Rhythmus der Umweltveränderungen genauso wichtig ist wie die Intensität des Stresses selbst.