Cyanobakterium

Cyanobakterien
Zellfäden von Nostoc spp.
Systematik
Klassifikation: Lebewesen Domäne: Bakterien (Bacteria) Stamm: Cyanobakterien Klasse: Cyanobakterien
Wissenschaftlicher Name des Stamms
Cyanobacteria
Stanier 1974 ex Cavalier-Smith 2002
Wissenschaftlicher Name der Klasse
Cyanobacteria

Die Cyanobakterien (ursprünglich Blaualgen genannt) bilden eine Abteilung der Domäne Bacteria. Sie zeichnen sich vor allen anderen Bakterien durch ihre Fähigkeit zur oxygenen Photosynthese aus. Sie wurden früher zu den Phycophyta (Algen) gerechnet und als Klasse Cyanophyceae (Blaualgen) geführt^[1]. Sie besitzen jedoch keinen echten Zellkern und sind somit als Prokaryoten nicht mit den anderen als „Algen“ bezeichneten, eukaryotischen Lebewesen verwandt, sondern zählen zu den Bakterien. Cyanobakterien besiedeln vermutlich bereits seit mehr als 3,5 Mrd. Jahren die Erde und zählen damit zu den ältesten Lebensformen überhaupt.

Es sind etwa 2000 Formen als „Arten“ von Cyanobakterien benannt, die in fünf bis sieben Ordnungen eingeteilt werden.

Merkmale

Die Photosynthese der Cyanobakterien findet an bzw. in deren Thylakoidmembranen statt und läuft dort ähnlich wie in den Thylakoiden der Chloroplasten der eukaryotischen Algen, Moose, Farne und Samenpflanzen ab. Die Cyanobakterien nutzen für ihre Photosynthese nicht nur den Teil des Lichtspektrums, den auch die grünen Pflanzen verwenden, sondern sie haben neben Chlorophyll a einen zusätzlichen Antennenkomplex in Form von Phycobilisomen, in denen Phycobiline, nämlich Phycocyanin (blau) oder Phycoerythrin (rot), enthalten sind. Phycocyanin verleiht vielen Cyanobakterien ihre bläuliche Färbung, manchen (z. B. Spirulina, Oscillatoria rubescens) verleiht Phycoerythrin eine rote Färbung. Da das Verhältnis der einzelnen Pigmente zueinander stark schwanken kann, erscheinen Cyanobakterien mitunter auch grün oder sogar schwarz (‚Tintenstriche‘). Phycobiline ermöglichen die Nutzung eines größeren Bereichs des Lichtspektrums (in der Grünlücke der Pflanzen, dem Wellenlängenbereich von ca. 500 bis 600 nm). Die Effizienz der Lichtverwertung ist bei Phycoerythrin sogar größer als beim Chlorophyll. Cyanobakterien können auf diese Weise ausgesprochene Schwachlichtbereiche erfolgreich besiedeln, wie z. B. die Unterseite von Flussgeröll oder tiefe Schichten in Seen.

Einige Cyanobakterien können auch eine anoxygene Photosynthese mit Schwefelwasserstoff als Reduktionsmittel betreiben, sie bilden dabei also kein Dioxygen.^[2][3] Vor kurzem wurde ein Cyanobakterium entdeckt (UCYN-A), bei dem das Photosystem II fehlt.^[4] Im Gegensatz zu oxygenen photoautotrophen Lebewesen fixiert dieser Stamm nicht Kohlendioxid (CO₂) im Calvin-Benson-Basham-Zyklus, er assimiliert aber elementaren Stickstoff (Dinitrogen N₂) indem er ihn reduziert.

Nach der Endosymbiontentheorie waren Vorfahren der heutigen Cyanobakterien die Vorläufer der Chloroplasten in grünen Pflanzen. Dafür spricht sowohl die übereinstimmende Zellanatomie als auch ein Satz übereinstimmender biochemischer Merkmale, welche die Cyanobakterien gleich wie die Chloroplasten von den Eigenschaften der Eukaryontenzellen unterscheiden.

Cyanobakterien sind gramnegativ und ein- bis vielzellig. Bei mehrzelligen Cyanobakterien ist die Anordnung der Zellen hintereinander in langen Fäden (zum Beispiel Anabaena und Oscillatoria), flächig (zum Beispiel Merismopedia) oder räumlich (zum Beispiel Pleurocapsa und Microcystis).

Stoffwechsel

„Blaualgenblüte“ in einem Teich

„Blaualgenblüte“ in einem Fischteich (Näheres in der Bildbeschreibung)

Kugelige Kolonien gallertiger Süßwasser-Cyanobakterien, sogenannte Teichpflaumen

Viele Cyanobakterien können Stickstofffixierung betreiben: Sie wandeln in Heterozysten molekularen Stickstoff (N₂) in Ammonium (NH₄⁺) um.

Es wurde nachgewiesen, dass fast alle Arten sehr unterschiedliche Toxine produzieren. Am bekanntesten sind die Microcystine bei Vertretern der Gattung Microcystis. Darüber hinaus konnte selbst in nicht näher verwandten Arten ein Neurotoxin, die giftige Aminosäure β-Methylamino-alanin (BMAA) nachgewiesen werden. Ausgehend von einem oft vermehrten Auftreten von Cyanobakterien bei sogenannten „Algenblüten“ können beim Verzehr von Fischen oder Muscheln solche Toxine und auch BMAA über die Nahrungskette in den menschlichen Organismus gelangen und gelegentlich zu tödlichen Vergiftungen führen.

Forscher der Carnegie Institution fanden Anfang 2006 heraus, dass im Yellowstone-Nationalpark lebende Cyanobakterien einen im Tag-Nacht-Rhythmus wechselnden Stoffwechsel betreiben: Tagsüber Photosynthese und nachts Stickstofffixierung. Dies ist nach heutigem Wissensstand einmalig.

Systematik

Zur Taxonomie der Cyanobakterien existieren mehrere Systeme. Die Taxonomie-Datenbank des US-amerikanischen National Center for Biotechnology Information (NCBI) teilt nur zwei von insgesamt 7 Ordnungen in Familien ein. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology^[5] verwendet anstelle von Ordnung und Familie die selbst erfundenen Ränge Subsection und Subgroup, welche statt mit Namen mit römischen Ziffern bezeichnet werden, da nicht alle gebräuchlichen Ordnungen und Familien nach dem Bacteriological Code gültig beschrieben wurden. Cavalier-Smith nennt 6 Ordnungen, von denen er die Gloeobacterales (mit der einzigen Gattung Gloeobacter) in eine eigene Unterabteilung Gloeobacteria stellt und die andere Unterabteilung, die Phycobacteria, in die Klassen Chroobacteria (Ordnungen Chroococcales, Pleurocapsales, Oscillatoriales) und Hormogoneae (Nostocales, Stigonematales) aufteilt.^[6]

Taxonomie nach NCBI^[7]

• Ordnung Chroococcales: 27 Gattungen, z. B.Chroococcus und Gloeocapsa

• Ordnung Gloeobacterales (Klasse Gloeobacteria): 1 Gattung, Gloeobacter

• Ordnung Nostocales
  • Familie Microchaetaceae: 6 Gattungen
  • Familie Nostocaceae: 13 Gattungen, z. B. Anabaena, Aphanizomenon, Nostoc
  • Familie Rivulariaceae: 3 Gattungen
  • Familie Scytonemataceae: 3 Gattungen

• Ordnung Oscillatoriales: 27 Gattungen, z. B. Lyngbya, Oscillatoria, Phormidium, Spirulina

• Ordnung Pleurocapsales: 7 Gattungen, z. B. Chroococcidiopsis

• Ordnung Prochlorales (prochlorophytes)
  • Familie Prochloraceae: 1 Gattung, Prochloron
  • Familie Prochlorococcaceae: 1 Gattung, Prochlorococcus
  • Familie Prochlorotrichaceae: 1 Gattung, Prochlorothrix

• Ordnung Stigonematales: 12 Gattungen, z. B. Stigonema

Die Gattung Acaryochloris wird vom NCBI in keine Ordnung eingereiht.

Siehe auch

• Algenfarngewächse zur Symbiose mit stickstofffixierenden Cyanobacteria
• Stromatolithen – von Cyanobakterien gebildete Sedimentgesteine

Literatur

• Thomas Börner: Die Toxine der Cyanobakterien: Neue bioaktive Verbindungen. Biologie in unserer Zeit 31(2), 2001, S. 108–115, ISSN 0045-205X

Quellen

1. ↑ Der Name Cyanophyceae für die einzige Klasse der Abteilung Cyanobacteria wird auch heute noch verwendet, etwa von Algaebase.
2. ↑ Y. Cohen, B. B. Jörgensen, E. Padan, M. Shilo: Sulphide-dependent anoxygenic photosynthesis in the cyanobacterium Oscillatoria limnetica. In: Nature. Bd. 257, 1975, S. 489-492
3. ↑ Etana Padan: Facultative anoxygenic photosynthesis in cyanobacteria. In: Annual Review of Plant Physiology. Bd. 30, 1979, S. 27-40
4. ↑ Zehr, JP. et al. (2008): Globally distributed uncultivated oceanic N2-fixing cyanobacteria lack oxygenic photosystem II. In: Science 322(5904); 1110-1112; PMID 19008448; doi:10.1126/science.1165340
5. ↑ D.R. Boone, R.W. Castenholz, G.M. Garrity (eds), Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, second edition, vol. 1 (The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria), Springer-Verlag, New York, 2001. Zitiert nach J.P. Euzéby: List of Prokaryotic names with standing in Nomenclature (LPSN).
6. ↑ Cavalier-Smith, T. (2002): The neomuran origin of archaebacteria, the negibacterial root of the universal tree and bacterial megaclassification. In: Int J Syst Evol Microbiol. 52(Pt 1); 7–76; PMID 11837318; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
7. ↑ NCBI (National Center for Biotechnology Information) Taxonomy Browser: Cyanobacteria, abgerufen am 27. Oktober 2007

Weblinks

• Einführung in die Cyanobakterien (Engl.)
• Informationen zu Blaualgen in Badegewässern