Mikroorganismus

Mikroorganismen (Kleinstlebewesen, ugs.: „Mikroben“) sind mikroskopisch kleine Lebewesen (Organismen), die als Einzelwesen mit bloßem Auge meist nicht erkennbar sind. Bei den Mikroorganismen handelt es sich überwiegend um Einzeller, auch einige Mehrzeller entsprechender Größe gehören dazu. Mikroorganismen kommen in verschiedenen Größenordnungen vor.

Einige Mikroorganismen sind etwa für die Ernährung von Bedeutung, andere sind Erreger von Infektionskrankheiten. Beispiele für Mikroorganismen sind die Bakterien (z. B. Milchsäurebakterien), viele Pilze (z. B. die Backhefe), mikroskopische Algen (z. B. Chlorellen, werden u. a. als Nahrungsergänzungsmittel verwendet), und Protozoen (z. B. das Pantoffeltierchen und der Malaria-Erreger Plasmodium).

Ob die Viren als Mikroorganismen gelten können, ist abhängig von der Definition, der dem Begriff des „Lebewesens“ zugrundegelegt wird. Viren haben keinen Stoffwechsel, darum werden sie nur dann als Organismen aufgefasst, wenn Stoffwechseltätigkeit nicht Teil der Definition des Lebendigen ist.

Die Wissenschaft und die Lehre von den Mikroorganismen ist die Mikrobiologie.

Gruppen der Mikroorganismen

Bakterien

Die Bakterien (Bacteria) (altgriechisch βακτηρἱα bakteria – Stab) bilden neben den Eukaryoten und Archaeen eine der drei grundlegenden Domänen, in die heute alle Lebewesen eingeteilt werden.

Individuen der Bakterienart Escherichia coli. Sekundärelektronen-mikroskopische Aufnahme. Der Durchmesser eines Bakteriums beträgt 0,6 µm.

Traditionell wird teils auch heute noch in der Mikrobiologie die Bezeichnung „Bakterien“ für fast alle mikroskopisch kleinen, meistens einzelligen Organismen gebraucht, die keinen echten Zellkern besitzen und deshalb zu den Prokaryoten gehören. Hierzu zählen jedoch auch die Archaeen. Richtig ist die Zuordnung der Archaeen und der Bakterien zu jeweils einer separaten Domäne (Archaea, Bacteria). Zur Abgrenzung der Bacteria von den Archaea spricht man manchmal auch von Eigentlichen Bakterien oder Echten Bakterien. Früher wurden sie zur Unterscheidung von den dann Archaebacteria genannten Archaeen mit wissenschaftlichem Namen auch Eubacteria genannt. Dies war eine unglückliche Benennung, weil es auch eine Bakteriengattung Eubacterium gibt.

Bakterien sind Prokaryoten, das bedeutet, ihre DNA ist nicht in einem vom Cytoplasma durch eine Doppelmembran abgegrenzten Zellkern enthalten wie bei Eukaryoten, sondern bei ihnen liegt die DNA wie bei allen Prokaryoten frei im Cytoplasma, und zwar zusammengedrängt auf engem Raum, auch Nucleoid (Kernäquivalent) genannt.

Bakterien wurden erstmalig von Antoni van Leeuwenhoek mit Hilfe selbstgebauter Mikroskope in Gewässern und im menschlichen Speichel beobachtet und 1676 von ihm in Berichten an die Royal Society of London beschrieben.

Über dreihundert Jahre nach der Beschreibung der ersten Bakterien und trotz unzähliger schon beschriebener und katalogisierter Arten ist nach heutigem Kenntnisstand anzunehmen, dass die große Mehrheit von 95 bis 99% aller auf unserem Planeten existierenden Bakterienarten noch nicht näher bekannt ist und beschrieben wurde (Stand: 2006). Daher ist es nicht verwunderlich, dass immer wieder neue und aufregende Entdeckungen gemacht werden. So wurde im Jahr 1999 das größte bislang bekannte Bakterium entdeckt: Die so genannte Schwefelperle von Namibia, Thiomargarita namibiensis, ist mit einem Durchmesser von bis zu einem dreiviertel Millimeter ein bereits mit bloßem Auge sichtbares Bakterium.

Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Erforschung der Bakterien beschäftigt, ist die Bakteriologie.

Archaea

Die Archaea bilden eine der drei Domänen der Lebewesen. Sie wurden früher zu den Bakterien gezählt und als Archaebakterien bezeichnet, unterscheiden sich aber von ihnen in mehrfacher Hinsicht (z.B Stabilität von Membran- und Zellwandstrukturen, Komponenten der Transkriptions- und Translationssysteme).

Zu der Archaea gehören:

• Hyperthermophile Archaea mit einem Temperaturoptimum > 80 °C weisen eine ausgeprägte Hitzestabilität auf. Sie können bei der Siedetemperatur des Wassers noch wachsen, jedoch nicht bei weniger als 60 °C. Sie kommen beispielsweise in Hydrothermalquellen und in Heisswasserkaminen der Tiefsee vor.
• Methanogene Archaea sind streng anaerobe Organismen, die Methan bilden. Sie kommen z. B. in Sümpfen, in Rinderpansen, in Reisfeldern aber auch in den Faulbehältern von Abwasserreinigungsanlagen vor und sind durch ihre Methanbildung mitverantwortlich für den Treibhauseffekt.
• Extrem halophile Archaea leben in Umgebungen mit einer sehr hohen Salzkonzentration und sind an diese Bedingungen angepasst.

Pilze

Pilze (Fungi) sind Eukaryoten und kommen wie die Backhefe als Einzeller oder wie Mycelpilze als Mehrzeller vor. Ihre Vermehrung und Ausbreitung erfolgt geschlechtlich und ungeschlechtlich durch Sporen oder vegetativ durch Ausbreitung (eventuell mit Fragmentierung) der in verschiedenen Fällen sehr langlebigen Myzelien. Pilze sind heterotroph und ernähren sich meist dadurch, dass sie Enzyme in die unmittelbare Umgebung ausscheiden und damit polymere, wasserunlösliche Nährstoffe aufschließen und in die Zellen aufnehmen.

Von den Pflanzen unterscheiden sich die Pilze durch ihre heterotrophe Lebensweise ohne Photosynthese, und die meisten auch durch das Vorkommen von Chitin in der Zellwand. Von den Tieren unterscheiden sie sich unter anderem durch das Vorhandensein einer Zellwand.

Die früher als „Niedere Pilze“ bezeichneten Gruppen, also Schleimpilze, pilzähnliche Protisten wie die Eipilze (Oomycota) oder Hypochytriomycota werden heute nicht mehr zu den Pilzen (Fungi) gezählt.

Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Erforschung der Pilze beschäftigt, ist die Mykologie (aus griechisch Μύκης [mýkēs], Mz. Μύκητες [mýkētes]). Das Wort „Pilz“ entstammt dem Althochdeutschen buliz und ist wahrscheinlich vom lateinischen boletus abgeleitet. Hieraus entwickelte sich über bülez und schließlich bülz die moderne Form des Wortes.

Mikroalgen

Die Bezeichnung Alge im weiteren Sinn umfasst im Wasser lebende, eukaryotische, pflanzenartige Lebewesen, die Photosynthese betreiben, jedoch nicht zu den eigentlichen Pflanzen gehören. Im engeren Sinne werden damit zahlreiche Protistengruppen bezeichnet. Zu den Algen gehören sowohl mikroskopisch kleine einzellige als auch mehrzellige, zum Teil riesige Lebewesen. Als Mikroorganismen werden definitionsgemäß nur ein- bis wenigzellige Algen angesehen, sie werden als Mikroalgen bezeichnet.

Mikroalgen betreiben wie alle Algen Photosynthese, sie nutzen Licht als Energiequelle und sind Kohlenstoff-autotroph.

Algen stellen keine echte Verwandtschaftsgruppe im Sinne der Phylogenie und Systematik dar, sondern sind eine paraphyletische Gruppe. Gleichwohl wird der Begriff auch in der Biologie häufig als Generalbegriff verwendet.

Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Erforschung der Algen befasst, ist die Phykologie (altgriechisch φυκός - phykos = Tang, Seegras).

Protozoen

Euglypha (Thecamoeba). Thecamöben zählen als Mikroorganismen zu den häufigen Bewohnern in Waldböden

Colpoda inflata ist ein Protozoon, das in vielen Böden vorkommt

„Protozoen“ (Einzahl: Protozoon), auch Urtiere, ist eine Bezeichnung für aufgrund ihrer heterotrophen Lebensweise und ihrer Mobilität früher als tierisch angesehene Einzeller, die keine Zellwand, aber im Gegensatz zu Bakterien einen Zellkern besitzen, also Eukaryoten sind. Die Bezeichnung wurde von dem Deutschen Georg August Goldfuß 1818 in die Wissenschaft eingeführt.

Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Erforschung der Protozoen beschäftigt, ist die Protozoologie.

Zunächst stellte man die Protozoen zusammen mit anderen eukaryotischen (kernhaltigen) Einzellern in ein eigenes Reich der Lebewesen, nämlich ins Reich der Protista. Man weiß jedoch heute, dass die Begriffe „Protozoen“ und „Protista“ ebenso wenig systematische Taxa sind wie die Begriffe „Algen“, „Amöben“, „Ciliaten“ oder „Flagellaten“, da diese Einteilung hauptsächlich aufgrund von sichtbaren Merkmalen, dem so genannten Habitus getroffen wurde, nicht aber aufgrund natürlicher Verwandtschaft.

Von den etwa 40.000 beschriebenen „Protozoen-Arten“ sind etwa 8.000 Parasiten, von denen wiederum etwa 70 beim Menschen parasitieren. Nur etwa 40 Infektionen durch Protozoen können auch eine Krankheit hervorrufen.

Einige parasitische Protozoen gehören eigentlich nicht zu den Protozoen, sondern zu den Algen, denn sie enthalten einen Leukoplasten, z. B. die Apicomplexa, zu denen Plasmodium, der Erreger der Malaria, gehört oder Helicosporidium, eine farblose Grünalge, die in wirbellosen Tieren (Invertebraten) parasitiert.

Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Erforschung der Protozoen befasst, ist die Protozoologie.

Viren

Da Viren keinen eigenständigen Stoffwechsel haben und sich nicht eigenständig vermehren können, werden sie von vielen Biologen nicht als Lebewesen angesehen. Sie können sich nicht bewegen, werden meist mit dem Wind oder mit Körperflüssigkeiten transportiert. Zum Fortpflanzen benötigen sie eine Wirtszelle. Die Viren "koppeln" sich mit Hilfe ihrer Rezeptoren an die Wirtszelle an (Schlüsselsystem). Bei DNA-Viren wandert das DNA-Molekül des Virus in den Zellkern der Wirtszelle und die Virus-DNA wird in die DNA der Wirtszelle eingebaut. Bei RNA-Viren, sogenannten Retroviren, wird ein dem RNA-Molekül entsprechendes DNA-Molekül gebildet, das in die Wirts-DNA eingebaut wird. Durch den Einbau der Virus-Nukleinsäure wird die Wirtszelle umprogrammiert und bildet neue Viren.

Viren besitzen auch Kennzeichen von Lebewesen, z. B. Mutation, Vererbung und Gestaltbildung.

Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Erforschung der Viren befasst, ist die Virologie.

Nützliche Mikroorganismen

Viele Mikroorganismen werden aus verschiedenen Gründen als nützlich angesehen. So spielen viele in den geochemischen Stoffkreisläufen eine Rolle (Beispiele: Stickstoffkreislauf, N₂-Fixierung, Abwasserreinigung), viele werden in der Lebensmittelindustrie zur Produktion von bestimmten Nahrungsmitteln verwendet, in der Biotechnologie werden Mikroorganismen zur Produktion von Antibiotika und technisch genutzten Stoffen eingesetzt. Die individuelle Besiedelungsgeschichte setzt bereits während der Geburt ein. Nach und nach gestaltet sich diese Mikroflora unter Einfluss von Umgebung und Genen individuell um.

Mikroorganismen als Krankheitserreger

Ein kleiner Anteil der Mikroorganismen ist pathogen, d. h. diese Organismen verursachen bei Pflanzen, Tieren oder Menschen Krankheiten und haben deshalb eine besondere Bedeutung. Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit den bei Menschen und Tieren pathogenen Mikroorganismen befasst ist die Medizinische Mikrobiologie. Die Phytopathologie befasst sich unter Anderem mit den bei Pflanzen pathogenen Mikroorganismen.

Fakten über Mikroorganismen

• Mikroorganismen traten als erste Organismen auf der Erde vor etwa 3,8 Milliarden Jahren auf, Vielzeller entwickelten sich erst vor etwa 600 Millionen Jahren im Neoproterozoikum und die ersten „modernen“ Menschen (Homo sapiens) erschienen sogar erst vor etwa 130.000 Jahren.
• Mikroorganismen übertreffen alle anderen Spezies bei weitem an Zahl und stellen mit 70 % den größten Anteil an lebender Materie (Biomasse) dar.
• Weniger als 0,5 % der geschätzten 2 bis 3 Milliarden Spezies der Mikroorganismen wurden bislang entdeckt und klassifiziert.
• Mikroorganismen treiben die für das Leben auf unserem Planeten wichtigen geochemischen Stoffumsetzungen an und beeinflussen das globale Klima. Die mikrobielle Verstoffwechselung kritischer chemischer Elemente wie Kohlenstoff oder Stickstoff trägt dazu bei, die Erde bewohnbar für alle anderen Lebewesen zu halten. Mikroorganismen erzeugen mindestens die Hälfte des elementaren Sauerstoffs (O₂) des Planeten.
• Mikroorganismen gedeihen in einer erstaunlichen Vielfalt sehr unterschiedlicher Habitate, sowohl in extremer Hitze, Kälte, Strahlung, Druck, Dunkelheit, als auch in salziger, saurer und alkalischer Umgebung. Oft leben sie dort, wo keine anderen Lebewesen existieren können, und beziehen ihre Nährstoffe ausschließlich aus anorganischem Material (Siehe hierzu auch: Extremophile).
• Die ungewöhnlichen Fähigkeiten von Mikroorganismen spiegeln sich in der Vielfalt der ökologischen Nischen wider, die sie besetzen können. Diese wiederum könnten sich als Quelle für noch unbekannte Gene und Organismen erweisen, die wertvoll sind für Biotechnologie (siehe hierzu zum Beispiel Polymerase), Energiegewinnung, biologischer Abbau von Abfall und Schadstoffen und vieles mehr. Wenn bei Havarien von Tankern auf dem Meer Erdöl oder Erdölprodukte austreten, „fressen“ spezielle Mikroben diese als „Teppich“ auf dem Meer schwimmenden Schadstoffe auf.
• Die Zusammensetzung der Biozönose hinsichtlich ihrer Arten (engl.: diversity pattern = „Vielfältigkeitsmuster“) in einem Biotop und ihre Änderungen können zur Überwachung (engl.: monitoring) des Biotops beziehungsweise zur Vorhersage von Änderungen in einem Ökosystem genutzt werden.
• Die Genome von Mikroorganismen sind von geringer Größe und wenig komplex reguliert: gewöhnlich bestehen sie aus nicht mehr als 10 Millionen DNA-Basen, im Vergleich zu den etwa 3 Milliarden Basen des Genoms von Menschen oder Mäusen.
• Es gibt zahlreiche sich voneinander unterscheidende Stämme von Mikroorganismen auf und in unserem Körper; so unterscheiden sich z. B. die Stämme in der Armbeuge erheblich zu denen auf der Unterarmhaut.
• Auf und im menschlichen Körper existieren etwa 10 bis 100 mal mehr Mikroorganismen (vor allem Bakterien), als menschliche Zellen, aus denen ein Mensch besteht: Etwa 1 Billiarde (10¹⁵) Mikroorganismen stehen 10 - 100 Billionen (10¹³ - 10¹⁴) menschliche Zellen gegenüber, dies entspricht einer Gesamtmasse von 0,5 bis 1 kg Mikroorganismen. Gesunde Menschen haben alle nahezu den gleichen Besatz von Mikroorganismen in Darm, Mund und Nase sowie auf der Haut. Auf einem Quadratzentimeter Haut haben – wenn man von Bakterien mit 1 µm Länge und 0,5 µm Breite ausgeht – theoretisch 200 Millionen Bakterien Platz. Tatsächlich leben aber etwa nur 100 bis 10.000 Bakterien pro cm² Hautfläche; die Haut ist also relativ keimarm. Im Magen-Darm-Trakt bilden sie die Darmflora und produzieren Vitamine (Biotin, Folsäure und Vitamin K), stärken das Immunsystem und verhindern die Ansiedlung und Ausbreitung von pathogenen Bakterien und Pilzen. In einem einzigen Gramm menschlichen Kots befinden sich etwa 100 Milliarden Mikroorganismen.
• In einem Liter Meerwasser können mehr als 20.000 unterschiedliche Arten von Mikroorganismen leben, in den Ozeanen insgesamt sogar bis zu zehn Millionen Arten.
• Mikroorganismen, genauer die Milchsäurebakterien (Döderleinflora), sorgen für ein saures Milieu (pH 3,8 - 4,5) in der Vagina von Säugetieren und verhindern so bakterielle Infektionen.
• Bald nach dem Tod werden Mensch und Tier von den eigenen Darmmikroorganismen zersetzt; die intakten Schleimhäute lebender Organismen schützen sie vor den zersetzenden Bakterien im Darm.
• Die meisten Mikroorganismen verursachen keine Krankheiten.
• Bakterien werden biotechnisch zur Herstellung von Arzneimitteln genutzt wie z. B. Insulin und Antibiotika.
• Das Darmbakterium Escherichia coli verdoppelt sich unter optimalen Bedingungen alle 20 Minuten.
• Mikroorganismen werden bei der Schädlingsbekämpfung als Alternative zu giftigen chemischen Mitteln eingesetzt.
• Manche Mikroorganismen sind in der Lage sich auch in Biotopen anzusiedeln, die massiv mit zahlreichen Giften wie Schwermetallen, Nitraten und Radionukliden, wie Uran und Technetium kontaminiert sind.^[1] So wurde das extremophile Bakterium Deinococcus radiodurans u. a. im Kühlwasserkreislauf von Kernkraftwerken und arsenverseuchten Abfällen gefunden.^[2][3]

Siehe auch

• Archaeen, Algen, Pilze, Bakterien, Protozoen, Protisten, Virus,
• Infektiologie, Protozoeninfektion, Infektionskrankheit, Krankheitserreger,
• Liste häufiger Infektionskrankheiten, Pilzinfektion
• Nanobakterien, Chemostat
• Mikrofauna, Mikroflora – Kleinstlebewesen des Bodens

Literatur

• Moselio Schaechter, John Ingraham, Frederick C. Neidhardt: Microbe: Das Original mit Übersetzungshilfen. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2006. ISBN 3-8274-1798-8.
• Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. Dunlap, David P. Clark: Brock – Biology of Microorganisms, 12. Auflage. Pearson, San Francisco u. a. O. 2009, ISBN 0-321-53615-0.
• Georg Fuchs (Hrsg.): Allgemeine Mikrobiologie. 8. Auflage. Thieme, Stuttgart 2006, ISBN 3-13-444608-1 (ISBN 978-3-13-444608-1).
• Heribert Cypionka: Grundlagen der Mikrobiologie. 4. Auflage. Springer, Heidelberg u. a. O. 2010, ISBN 978-3-642-05095-4 (print), ISBN 978-3-642-05096-1 (elektronisch).

Populärwissenschaftlich

• Jörg Blech: Leben auf dem Menschen: Die Geschichte unserer Besiedler. Rowohlt Taschenbuch Verlag, Reinbek bei Hamburg 2000, ISBN 3-499-60880-4.
• Idan Ben-Barak: Kleine Wunderwerke: die unsichtbare Macht der Mikroben. Aus d. Engl. übersetzt v. Sebastian Vogel. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-8274-2465-5. (Engl. Orig.: Small Wonders - How Microbes Rule Our World. 2008.)

Einzelnachweise

1. ↑ C. L. Hemme , Y. Deng, T. J. Gentry, M. W. Fields, L. Wu, S. Barua, K. Barry, S. G. Tringe, D. B. Watson, Z. He, T. C. Hazen, J. M. Tiedje, E. M. Rubin, J. Zhou J.: Metagenomic insights into evolution of a heavy metal-contaminated groundwater microbial community. In: ISME J. 4, Nr. 5, 2010, S. 660-672. PMID 20182523.
2. ↑ Bik, E. M. et al.: Molecular analysis of the bacterial microbiota in the human stomach. In: PNAS. 103, Nr. 3, 2006, S. 732-737. PMID 16407106.
3. ↑ R. Froböse:: Wenn Frösche vom Himmel fallen: die verrücktesten Naturphänomene Wiley-VCH Verlags-GmbH & Co. KGaA Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-31659-5, S. 19ff

Weblinks

• The Microbiology Information Portal Englischsprachige Portalseite zu allen Aspekten des Themas „Mikroorganismen & Mikrobiologie“
• Mikrobiologischer Garten Exzellente Seite zu verschiedensten Aspekten von Mikroorganismen von Prof. Dr. Heribert Cypionka
• Microbial Genome Program Sehr informative englischsprachige Seite des U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science Mikroorganismen
• The University of Minnesota Biocatalysis/Biodegradation Database (engl.)
• MicrobeWiki Englischsprachige Wiki des Kenyon Colleges mit einer beeindruckenden Sammlung von Seiten über Mikroorganismen
• Mikroorganismen aus der Stratosphäre im Labor isoliert Britische Wissenschaftler isolierten im Labor Bakterien aus Luftproben der Stratosphäre (wissenschaft.de, 17. Dezember 2002).