Genomic and experimental evidence from Antarctic geothermal sites indicates diverse thermophiles are globally cosmopolitan

Seit Jahrzehnten vertreten Wissenschaftler eine bestimmte Sichtweise über das Leben in extremer Hitze. Sie glaubten, dass die mikroskopisch kleinen Organismen, die in siedenden heißen Quellen und vulkanischen Böden gedeihen, wie Inselbewohner wären, gefangen in ihren eigenen isolierten Taschen der Wärme. Da diese Umgebungen über den gesamten Globus verteilt und durch riesige Strecken aus kaltem, lebensfeindlichem Land voneinander getrennt sind, wurde angenommen, dass die hitzeliebenden Mikroben, die dort leben, nicht zwischen ihnen reisen könnten. Die vorherrschende Theorie besagte, dass diese Kreaturen, ohne die Fähigkeit, zähe, ruhende Sporen zu bilden, um die Reise zu überstehen, an dem Ort festsaßen, an dem sie gestartet waren, und sich in Isolation entwickelten. Diese Idee ergab Sinn: Wenn man die Kälte, die Trockenheit oder das harte ultraviolette Licht der offenen Atmosphäre nicht überleben kann, kann man keinen Ozean oder einen Kontinent überqueren, um eine neue heiße Quelle zu finden.

Doch eine neue Studie stellt diesen lang gehegten Glauben infrage, indem sie die isoliertesten Hotspots der Erde betrachtet: die geothermischen Böden rund um Vulkane in der Antarktis. Diese Standorte sind von Eis und Schnee umgeben, fernab anderer warmer Orte, was sie zum perfekten Testfall dafür macht, ob hitzeliebendes Leben wirklich gefangen ist. Durch die Untersuchung der genetischen Baupläne der dort lebenden Mikroben und die Tests, wie gut sie unter harten Bedingungen überleben, haben Forscher herausgefunden, dass viele dieser Organismen keineswegs lokale Bewohner sind. Stattdessen scheinen sie globale Reisende zu sein, die fähig sind, sich über die Welt zu bewegen und sich in neuen, fernen heißen Böden niederzulassen, womit sie die Vorstellung widerlegen, dass hitzeliebende Wesen von Natur aus an einem Ort feststecken.

Das Forschungsteam, unter der Leitung von Wissenschaftlern aus Neuseeland und den Vereinigten Staaten, konzentrierte sich auf vier spezifische geothermische Standorte in der Antarktis, darunter den berühmten Mount Erebus, den südlichsten aktiven Vulkan des Planeten. Sie sammelten Bodenproben aus diesen warmen Flecken und nutzten fortschrittliche Gensequenzierung, um die Genome der dort lebenden Mikroben zu rekonstruieren. Anschließend verglichen sie diese genetischen Profile mit einer massiven globalen Datenbank mikrobieller DNA aus anderen heißen Umgebungen weltweit. Die Ergebnisse waren überraschend. Sie fanden heraus, dass fast zwei Drittel der hitzeliebenden Mikroben aus diesen isolierten antarktischen Standorten genetische Übereinstimmungen in anderen Teilen der Welt hatten, von heißen Quellen in den USA bis hin zu Böden in Südamerika. Dies deutet darauf hin, dass diese Organismen nicht einzigartig für die Antarktis sind, sondern Teil einer weit verbreiteten, globalen Population sind, die sich zwischen den Kontinenten bewegt.

Um zu verstehen, wie diese winzigen Organismen eine so lange Reise durch die gefrorene, trockene und sonnenbeschienene Atmosphäre überstehen könnten, brachten die Forscher drei dieser antarktischen Mikroben in das Labor. Sie setzten die Kulturen Bedingungen aus, die eine Reise durch den Himmel nachahmten: extreme Kälte, völliger Nahrungsmangel, Austrocknung und intensive ultraviolette Strahlung. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Mikroben weitaus robuster waren als erwartet. Während das ultraviolette Licht der schädlichste Faktor war, der viele Zellen abtötete, überlebte ein signifikanter Teil der Population die Frost- und Trockenbedingungen über Wochen hinweg. Ein Mikrobe, eine Art Geobacillus, konnte sogar Sporen bilden, die als Schutzschild fungierten und es ihm ermöglichten, die härteste Strahlung zu überstehen. Die anderen, die keine Sporen bilden, zeigten dennoch eine hohe Resilienz, was darauf hindeutet, dass sie über eine eigene biologische Rüstung verfügen, wie etwa hohe Mengen an schützenden DNA-Reparaturmechanismen oder Pigmenten, die sie vor der Sonne abschirmen.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Mikroben überhaupt in die Luft gelangen könnten. Die Forscher untersuchten Eiskerne, die aus einem Gletscher in der Nähe des Mount Erebus gebohrt wurden, auf Schichten von vulkanischer Asche, bekannt als Tephra, die während Eruptionen abgelagert wird. Sie fanden heraus, dass diese Ascheschichten reich an hitzeliebenden Mikroben waren, einschließlich vieler, die in dem umgebenden Eis nicht vorhanden waren. Dies deutet darauf hin, dass ein Vulkan bei einem Ausbruch wie ein riesiger Aufzug wirkt, der Boden und Mikroben hoch in die Atmosphäre schießt, wo sie den Wind ergreifen und über große Distanzen reisen können. Darüber hinaus sammelte das Team Luftproben direkt aus den heißen Böden des Mount Erebus und stellte fest, dass bereits hitzeliebende Mikroben in der Luft über dem Vulkan schwebten, bereit, vom Wind davongetragen zu werden.

Um zu testen, wie schnell diese Mikroben ein neues Gebiet wiederbesiedeln können, betrachteten die Forscher auch einen Standort in Hawaii, der erst vier Jahre zuvor durch einen Lavastrom sterilisiert worden war. Sie fanden heraus, dass die heißen Böden dort bereits viele hitzeliebende Mikroben beherbergten, die genetisch identisch mit Stämmen aus anderen Teilen der Welt waren. Diese schnelle Rückkehr spezifischer globaler Stämme zu einem frisch sterilisierten Standort deutet darauf hin, dass die Ausbreitung kein seltenes Ein-zu-eine-Million-Ereignis ist, sondern ein regelmäßiges Vorkommnis, das auf einer Zeitskala von Jahren stattfindet. Die angekommenen Mikroben waren nicht nur jene, die Sporen bilden konnten; viele waren nicht-sporenbildende Typen, die aus fernen Gebieten angereist waren, wahrscheinlich über den Pazifischen Ozean.

Die Forscher identifizierten spezifische Merkmale, die diesen Mikroben zu helfen scheinen, die Reise zu überstehen. Sie fanden heraus, dass die globalen Reisenden dazu neigten, einen höheren Anteil bestimmter chemischer Bausteine in ihrer DNA zu besitzen, was helfen kann, Schäden durch Sonnenlicht zu verhindern. Sie stellten zudem fest, dass viele dieser globalen Reisenden Gene besaßen, die es ihnen ermöglichten, Spurengase in der Luft zu verwerten, was eine Energiequelle während ihres Driftens durch den Himmel darstellte. Zusätzlich waren die globalen Reisenden wahrscheinlicher in der Lage, bei einem breiteren Spektrum von Temperaturen zu wachsen, einschließlich kühlerer, moderater Temperaturen, was es ihnen ermöglichen würde, die kalte Reise zu überstehen, bevor sie einen neuen heißen Ort finden, den sie ihr Zuhause nennen können.

Diese Arbeit verschiebt grundlegend unser Verständnis darüber, wie sich das Leben auf dem Planeten ausbreitet. Sie zeigt, dass die Fähigkeit, in extremer Hitze zu leben, nicht automatisch bedeutet, dass ein Organismus an einem Ort feststeckt. Stattdessen haben viele hitzeliebende Mikroben die Werkzeuge entwickelt, die notwendig sind, um die harschen Bedingungen der Atmosphäre zu überstehen, was es ihnen ermöglicht, riesige Distanzen zurückzulegen und neue Umgebungen zu besiedeln. Die Studie legt nahe, dass die Welt des hitzeliebenden Lebens weitaus vernetzter ist als bisher angenommen, wobei Mikroben ständig zwischen den isolierten heißen Quellen des Globus hin- und herwandern, getragen vom Wind und gelegentlichen Vulkanausbrüchen. Während die Studie nicht beweist, dass jeder einzelne hitzeliebende Mikrobe ein globaler Reisender ist, liefert sie starke Beweise dafür, dass ein erheblicher Teil von ihnen dies ist, und schreibt damit die Regeln für die Ausbreitung des Lebens in den extremsten Umgebungen der Erde neu.