Lerntext Archaeen

Roland Heynkes, 10.12.2018

Diese Internetseite soll Lernende beim selbständigen Lernen oder bei der Wiederholung dessen unterstützen, was sie über Archäen bereits gelernt haben sollten.

Gliederung

	die Stellung der Archaeen in der Systematik der Lebewesen
	die ganz andere Evolution der Archaeen
	Aufbau der Archaeen
	Lebensräume der Archaeen
	die Vielfalt der Archaeen
	weiterführende Quellen

Viele Millionen, vielleicht sogar Milliarden Jahre lang soll es auf der Erde nur Bakterien und Archaeen gegeben haben. Nach der inzwischen allgemein akzeptierten Endosymbionten-Theorie entstanden erst viel später die ersten Eukaryoten als eine Endosymbiose von Archäen und in ihnen lebenden Bakterien.

Seitdem sind Archäen neben Bakterien, Eukaryoten und vielleicht Viren eine der 3-4 Grundtypen (Domänen), in die man heute die Lebewesen einteilt. Bakterien und Archäen nennt man Prokaryoten, weil sie keinen Zellkern besitzen. Auch die anderen Organellen der Eukaryoten haben Bakterien und Archäen nicht.

Da sie nur aus einer Zelle bestehen, können sich Archaeen durch Zellteilung vermehren. Sie passen sich evolutionär an ihre Umwelten an, indem sie bei jeder Zellteilung durch Kopierfehler kleine Änderungen in ihre Baupläne schreiben. So verändern sie sich mit jeder Zellteilung und zwei durch eine Zellteilung entstandenene Zwillinge können sich zu verschiedenen Spezies entwickeln. Denn im Gegensatz zur Zeugung eines Menschen entsteht bei der Zellteilung eines Prokaryoten kein neues Lebewesen, sondern aus einem fast 4 Milliarden Jahre alten Lebewesen werden zwei fast 4 Milliarden Jahre alte Lebewesen, die niemals altern, sich aber ständig verändern. Dabei haben sich Archaeen auch an extrem heiße, salzige, saure oder alkalische Lebensräume angepasst. Vielleicht haben sich aber auch einige Spezies in solche Lebensräume zurückgezogen, weil sie auf der jungen Erde unter solchen Bedingungen entstanden sind. Im Gegensatz zu den Bakterien sind unter den Archaeen bisher keine Krankheitserreger bekannt.

Da Archaeen wie Bakterien Prokaryoten sind, besitzen sie keinen Zellkern und auch die anderen von Membranen umhüllten Organellen der Eukaryoten fehlen. Der wie bei Bakterien ringförmige Bauplan (das Genom) schwimmt wie bei Bakterien nicht völlig frei in der Zelle herum, sondern liegt zusammen gedrängt in einem Nucleoid genannten Bereich. In den ringförmigen Chromosomen von Archaeen und Bakterien liegen gemeinsam benötigte Gene in sogenannten Operons hintereinander und werden gemeinsam reguliert. Archaeen sind auch ähnlich klein wie Bakterien und können wie diese Plasmide besitzen. Wie Bakterien können auch die Archaeen Flagellen besitzen und beide haben Ribosomen mit einer geringeren Masse als die Ribosomen im eukaryotischen Zytoplasma. Allerdings ist der Aufbau der Ribosomen bei Archaeen komplexer als bei Bakterien.

Transkription und Translation ähneln aber in Archaeen eher denen von Eukaryoten als denen von Bakterien. Außerdem können Archaeen ähnlich wie Eukaryoten mit dem Zytoskelett ihre Form durch besondere Filamente stabilisieren.

Die heute bekannten Archaeen besitzen aber auch einzigartige Eigenschaften, die sie von Bakterien und Eukaryoten unterscheiden. Einzigartig ist besonders die rRNA in der kleineren Untereinheit der Ribosomen. Archaeen besitzen aber auch einzigartige Enzyme und Stoffwechselwege, die sie auch biotechnologisch interessant machen. Nicht alle Archaeen besitzen außerhalb der Zellmembran eine Zellwand, die wie bei Pflanzenzellen ein Platzen durch inneren Überdruck verhindern könnte. Wenn sie eine haben, dann unterscheidet sich ihr Aufbau deutlich von den Zellwänden der Bakterien, aber auch untereinander. Bei Archaeen bestehen die Zellmembranen aus Äther-gebundenen Membran-Lipiden.

Vergleich der Zellmembarnen von Archaeen, Bakterien und Eukaryoten
anonym, public domain
Diese Zeichnung zeigt die Unterschiede zwischen den Zellmembranen von Archaeen oben und Bakterien oder Eukaryoten unten. In den Zellmembranen von Archaeen sind die Fettsäuren nicht über Esterbindungen (6), sondern über Etherbindungen (2) an die Glycerin-Moleküle gebunden. Bei den Archaeen fehlt außerdem die Lücke (9) in der Mitte Membran. Denn in Archaeen besteht die Lipid-Schicht nicht aus einfachen Fettsäuren, sondern aus verzweigten Isopreneinheiten.

Zuerst entdeckt wurden Archaeen in extrem heißen, salzigen oder giftigen Lebensräumen oder bei extremem Druck in der Tiefsee. Sie können aber in unterschiedlichsten Lebensräumen vorkommen und inzwischen fand man sie sogar im und auf dem menschlichen Körper.

Im Meeresboden scheinen sehr viel mehr Archaeen als Bakterien zu leben.

Die Spezialisten für die Einteilung der Lebewesen (Taxonomen) finden immer neue Kriterien für die Einteilung der Archaeen. Aktuell werden sie wohl von von den meisten Taxonomen in die Abteilungen (Superphyla) Euryarchaeota, DPANN und Proteoarchaeota. Einige Archaeen-Spezies sind extrem schnell mit 400-500 Körperlängen pro Sekunde. Und ähnlich wie wir es schon länger von den Bakterien kennen, können Archaeen sehr unterschiedlich aussehen. Die Vielfalt der Archaeen ist nur nicht leicht zu erkennen, weil sie so klein sind und sich nicht leicht züchten lassen. Im Gegensatz zu Tieren, Pflanzen und Pilzen gibt es daher auch nur relativ wenige Bilder von Archaeen.

Haloarchaeen
NASA, public domain
Die halophilen Haloarchaeen leben in extrem salzigen Lebensräumen.

Haloquadratum walsbyi
anonym, public domain
Haloquadratum walsbyi ist die halophilste bekannte Spezies überhaupt. Die extrem dünnen und quadratischen Zellen besitzen mit Gas gefüllte Vakuolen und treiben an der Wasseroberfläche, wo sie mit Hilfe des Proteins Bakteriorhodopsin ihre Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen.

die Archaee Ignicoccus hospitalis mit zwei angehefteten Reitenden Urzwergen (Nanoarchaeum equitans)
Karl O. Stetter, public domain
Es scheint noch nicht geklärt zu sein, ob die beiden Archaeen-Spezies symbiotisch leben oder ob Parasitismus vorliegt. Aber Nanoarchaeum equitans scheint vollkommen abhängig von Ignicoccus hospitalis zu sein. Gefunden wurden sie nördlich von Island an einem schwarzen Raucher bei Temperaturen von 70-98°C. Ignicoccus hospitalis bezieht seine Energie durch die Reduktion von elementarem Schwefel zu Hydrogensulfid, wobei Wasserstoff als Elektronendonor dient.

Sulfolobus solfataricus infiziert durch das Virus Sulfolobus-Virus STSV1
Xiaoyu Xiang, public domain
Sulfolobus solfataricus scheint weltweit in heißen Quellen vorzukommen und Temperaturen um die 80°C bei pH-Werten von 2-4 zu bevorzugen.

REM-Aufnahme einer Korarchaeota-Anreicherungskultur aus dem Obsidian Pool im Yellowstone-Nationalpark
The Regents of the University of California, public domain

ARMAN cell from an Iron Mountain biofilm
Brettjbaker, gemeinfrei

Haloferax volcanii
anonym, CC BY-SA 3.0
Haloferax volcanii der Gattung Haloferax ist ein halophiles und mesophiles Archaeon. Man findet Haloferax volcani im Toten Meer, dem Großen Salzsee und in Ozeanen an Stellen mit extrem hohen Konzentrationen von Kochsalz. Im Gegensatz zu den meisten extremophilen Mikroorganismen kann Haloferax volcanii relativ leicht kultiviert werden, denn als chemoorganotropher Organismus kann Haloferax volcanii Zucker als Energie- und Kohlenstoff-Quelle nutzen.

anonym, public domain

Wer es genauer wissen möchte und mit mehr Komplexität umgehen kann, findet sie beispielsweise in folgenden Quellen:

Wikipedia

A microcosm in the seafloor 21.07.2008 MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen

buchunabhängige Lerntexte

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Roland Heynkes, CC BY-SA-3.0 DE