Multiscale architecture and composition of two South Australian Bryozoa: Celleporaria cristata and Densipora corrugata

Tief unter der Meeresoberfläche, in den kühlen, gemäßigten Gewässern vor der Küste Australiens, bauen winzige koloniale Tiere, die Bryozoen, komplizierte Steinhäuser. Diese Kreaturen, die oft auch als „Moostiere“ bezeichnet werden, sind nicht einzelne Individuen, sondern riesige Gemeinschaften mikroskopischer Klone, die zusammenarbeiten. Seit Jahrhunderten wissen Wissenschaftler, dass diese Kolonien aus Calciumcarbonat bestehen, demselben Mineral, das auch in Kalkstein und Muscheln vorkommt. Doch die Geschichte darüber, wie diese Tiere ihre Skelette konstruieren und welche Geheimnisse jene Skelette über die Umgebung verraten, in der sie leben, ist weitgehend verborgen geblieben. Die Herausforderung liegt im Maßstab: Die Strukturen sind so klein, dass sie leistungsstarke Mikroskope erfordern, um gesehen zu werden, und die chemischen Signale, die sie enthalten, sind so schwach, dass sie von Standardwerkzeugen leicht übersehen werden. Das Verständnis dieser winzigen Baumeister ist entscheidend, da sie wesentliche Beitrüge zu den weltweiten Carbonatablagerungen leisten, und ihre Skelette potenziell als historische Aufzeichnungen der Meeresbedingungen dienen könnten, vorausgesetzt, wir lernen, die chemische Sprache zu lesen, die in ihren Steinwänden geschrieben steht.

Ein Forscherteam machte sich daran, diese Sprache zu entschlüsseln, indem es zwei spezifische Bryozoen-Arten untersuchte, die in den australischen Seegraswiesen des Südens zu finden sind. Obwohl sie zu unterschiedlichen evolutionären Familien gehören, die sich vor Hunderten von Millionen Jahren getrennt haben, haben beide Arten entwickelt, von außen betrachtet fast identisch auszusehen. Beide bilden spindelförmige Kolonien, die entlang der Seegrasstängel wachsen und eine Serie markanter Rippen aufweisen, die über ihre Oberfläche verlaufen. Die Wissenschaftler wollten wissen, ob diese auffällige Ähnlichkeit in der Form bedeutete, dass sie ihre Häuser auf die gleiche Weise bauten, oder ob ihre uralten Unterschiede immer noch die mikroskopischen Details ihrer Konstruktion diktierten. Um dies herauszufinden, nutzten sie eine Reihe fortschrittlicher Bildgebungsverfahren, um die Kolonien von der Größe des gesamten Tieres bis hin zu den einzelnen Mineralkörnern, aus denen ihre Wände bestehen, zu untersuchen.

Die Untersuchung begann mit dem Blick auf die Gesamtform und den internen Aufbau der Kolonien. Mittels hochauflösender 3D-Scans bestätigten die Forscher, dass sie, obwohl die äußeren Formen nahezu Zwillinge waren, die internen Räume, in denen die einzelnen Tiere lebten, sich grundlegend unterschieden. Bei einer Art waren die Wohnkammern kastenartig, während sie bei der anderen lange Röhren waren. Dieser Unterschied spiegelte ihre unterschiedlichen Evolutionsgeschichten wider. Doch als das Team weiter heranzoomte, um sich die Wände selbst anzusehen, fand es eine überraschende Menge an Gemeinsamkeiten. Beide Arten bauten ihre Wände aus einer Mischung aus winzigen, flachen Mineralplatten und kleinen, körnigen Clustern aus Calciumcarbonat. Auf der kleinsten Ebene bestanden beide aus Nanogranulen, winzigen runden Partikeln mit einer Größe von 65 bis 250 Nanometern. Dies deutet darauf hin, dass trotz ihrer unterschiedlichen Evolutionswege beide Tiere dieselben grundlegenden Bausteine verwenden, um ihre Steinhäuser zu montieren, indem sie diese winzigen Partikel vermutlich zusammenkleben.

Die Forscher wandten ihre Aufmerksamkeit dann auf die chemische Zusammensetzung dieser Steinwände und suchten speziell nach Magnesium, einem Element, das oft beim Entstehen von Calciumcarbonat eingeschlossen wird. Sie fanden heraus, dass beide Arten Magnesium in ihre Skelette einbauten, dies jedoch in sehr unterschiedlichen Mustern taten. Bei der Art mit den röhrenförmigen Kammern war das Magnesium in deutlichen Bändern konzentriert, die perfekt mit den äußeren Rippen auf der Oberfläche der Kolonie übereinstimmten. Dieses Muster führte die Wissenschaftler zu einer überzeugenden Hypothese: Diese Rippen könnten jährliche Wachstumsmarkierungen sein, ähnlich den Jahresringen eines Baumes. Da der Magnesiumgehalt in marinen Tieren oft während der wärmeren Sommermonate ansteigt, könnten die magnesiumreichen Rippen Perioden schnellen Sommerwachstums darstellen. Sollte dies zutreffen, könnten die Kolonien mehrere Jahre alt sein, wobei die Anzahl der Rippen das Alter angibt. Im Gegensatz dazu zeigte die andere Art Magnesium in unregelmäßigen Bändern innerhalb ihrer Wände verstreut, ohne einen klaren Zusammenhang zur äußeren Form, was es unmöglich machte, dieselbe Methode zur Bestimmung ihres Alters anzuwenden.

Neben den Mineralien untersuchte das Team auch die organischen Materialien, die in den Stein eingeschlossen sind. Alle Lebewesen, die harte Schalen bauen, mischen einige organische Moleküle, wie Proteine und Zucker, bei, um die Bildung des Minerals zu steuern. Die Forscher entdeckten, dass die beiden Arten sehr unterschiedliche „organische Rezepte“ verwendeten. Die Art mit den kastenförmigen Kammern besaß Wände, die reich an Proteinen waren, was offenbar Teil einer schützenden Außenhaut, oder Kutikula, ist, die in die Wand integriert wird, während das Tier wächst. Die andere Art, die diese Außenhaut nicht besitzt, hatte Wände, die mit kohlenhydratreichen organischen Schichten zwischen den Mineralkörnern gefüllt sind. Dieser Unterschied verdeutlicht, wie zwei Tiere, die sich äußerlich ähneln, völlig unterschiedliche biologische Strategien für den Bau ihrer Skelette verfolgen können.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass während diese beiden Bryozoen zu einer ähnlichen Form konvergiert sind, um im selben Lebensraum zu überleben, ihr interner Aufbau ein Zeugnis ihrer einzigartigen evolutionären Vergangenheit bleibt. Die Ergebnisse bieten eine neue Sichtweise auf diese winzigen Kolonien und legen nahe, dass die Art mit den magnesiumreichen Rippen als natürlicher Aufzeichner vergangener Meerestemperaturen dienen könnte. Durch das Zählen der Rippen und die Analyse ihrer Chemie könnten Wissenschaftler möglicherweise die Geschichte der sommerlichen Erwärmung in diesen Seegrasökosystemen rekonstruieren. Diese Arbeit beschreibt nicht nur, wie diese Tiere bauen; sie öffnet die Tür, diese Steinhäuser als Werkzeuge zur Überwachung der Veränderungen unserer Ozeane zu nutzen und verwandelt eine mikroskopische Kolonie in ein Fenster zum Klima der Vergangenheit.