Auf dieser Seite sammle ich Informationen zum Thema Mikroorganismen.
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Welche Mikroorganismen gibt es? |
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Eigenschaften von Bakterien |
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Louis Pasteur - Impfen und Desinfizieren |
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Der Mensch als Multisymbiose mit vielen Ökosystemen |
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amöboide Parasiten |
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Nutzmikroorganismen |
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Welche Mikroorganismen gibt es
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Viren gehören zu den Mikroorganismen, falls man sie zu den Lebewesen zählt. Bei Bakterien (auch Cyanobakterien = Blaualgen), Archäen, Hefen (einzellige Pilze), tierischen Einzellern (Amöben, Pantoffeltierchen) und pflanzlichen Einzellern (Algen) ist die Sache eindeutig. Auch die allerkleinsten mehrzelligen Lebewesen kann man zu den Mikroorganismen rechnen, sofern man ein Lichtmikroskop braucht, um sie zu sehen. Pollenkörner werden normalerweise nicht zu den den Mikroorganismen und nicht einmal zu den Lebewesen gezählt, aber sie sind beides.
Eigenschaften von Bakterien
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Bakterien wurden lange als scheinbar primitive und eher langweilige Lebewesen unterschätzt. Inzwischen sind aber nicht nur Mikrobiologen fasziniert von den erstaunlichen Fähigkeiten und der Bedeutung von Bakterien für uns Menschen.
Louis Pasteur - Impfen und Desinfizieren
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Der selbständigen Erarbeitung der folgenden Abschnitte über Louis Pasteur dient das Übungsmodul Louis Pasteur mit klausurähnlichen Aufgaben. |
Einer der Pioniere der Mikrobiologie war Louis Pasteur. Mit bemerkenswerten Bildern bewies er als Jugendlicher großes künstlerisches Talent und die Fähigkeit zu sehr genauer Beobachtung. Als Sohn einer alten Gerberfamilie hatte er sich auch schon früh gefragt, warum sich Tierhäute zersetzen, wenn man sie nicht gerbt. Er fand es heraus und später erkannte er, dass Milch sauer wird, wenn sich Bakterien in ihr vermehren. Aufgrund dieser Erkenntnis entwickelte er vor 150 Jahren (fast 200 Jahre nach der Entdeckung der Bakterien durch Antoni van Leeuwenhoek) das heute nach ihm Pasteurisierung genannte Verfahren zur Haltbarmachung leicht verderblicher Flüssigkeiten durch kurzes Erhitzen auf 60-85°C. Er tötete damit die meisten Bakterien und Hefen ab und verhinderte so durch sie verursachte Gärungsprozesse. Gleichzeitig konnte er dadurch die Theorie von der Urzeugung (spontane Entstehung von Mikroorganismen) widerlegen. Nach der Urzeugungs-Theorie hätten nämlich in einem fest verschlossenen Gefäß nach dem Erhitzen einfach spontan neue Mikroorganismen entstehen und zur Gärung führen müssen. Das war jedoch nicht der Fall. Pasteur erkannte auch die Bedeutung von Mikroorganismen als Destruenten. Was Pasteur wohl noch nicht verstand, war der Widerstand von Naturwissenschaftlern gegen eigentlich klare experimentelle Beweise. Allerdings war Pasteur selbst auch kein Musterbeispiel für sauberes wissenschaftliches Arbeiten und fairen Umgang mit Konkurrenten und Mitarbeitern. Er klaute deren Ideen, veröffentlichte eigene Erfolge voreilig und verschleiernd und verheimlichte dubiose oder erfolglose Experimente.
Als junger Chemiker entdeckte er, dass Mikroorganismen für die Gärung von Obst verantwortlich sind. Er fragte sich, woher diese Mikroorganismen kommen. Denn die damals verbreitete Urzeugungs-Theorie fand er unbegründet. Indem er durch Filterung der Luft die Gärung verhinderte, konnte er naturwissenschaftlich nachweisen, dass Bakterien durch die Luft transportiert werden und zumindest nicht ständig neu durch Urzeugung entstehen. Er sammelte Luftproben an unterschiedlichen Orten und fand im Gebirge erheblich weniger Gärung auslösende Keime als in Paris. Später konnte er zeigen, dass Mikroorganismen auch für sauer werdende Weine verantwortlich sein können und dass man dies durch ein kurzes Erhitzen des Weins auf 50°C verhindern kann. Mit Hygienemaßnahmen bekämpfte er erfolgreich Parasiten, welche die französische Seidenraupenzucht bedrohten. Trotz eines Schlaganfalls forschte er weiter und konnte zeigen, dass Mikroorganismen (Milzbrand-Bakterien) auch Schafe krank machen können. Diese Bakterien werden durch verseuchten Boden übertragen. Da es kein Medikament gab, empfahl er die Verbrennung verendeter Schafe, um nicht noch mehr Milzbrand-Bakterien in den Boden zu bringen.
Bei Experimenten mit der Hühner-Cholera erkannte er gemeinsam mit einem Mitarbeiter, dass alte Bakterien-Kulturen ihre Gefährlichkeit verlieren und dadurch zu Impfstoffen werden können. Nach diesem ersten erfolgreichen Experiment mit einem im Labor gezüchteten Impfstoff versuchte er auf die gleiche Weise einen Impfstoff gegen Milzbrand herzustellen. Anders als im Film dargestellt, war Pasteur aber erst erfolgreich, nachdem er die Experimente eines heute unbekannten Konkurrenten nachmachte und die Erreger durch Erhitzen abschwächte. Wissenschaftlich war es also nicht seine Erfindung, aber er ging damit schneller an die Öffentlichkeit, indem er seinen Impfstoff vor mißtrauischen Tierärzten erfolgreich an Schafen testete.
Den Erreger der in Deutschland inzwischen fast ausgerotteten Tollwut konnte Pasteur mit seinem kleinen Lichtmikroskop nicht finden - auch nicht im Rückenmark. Viren sind nämlich so klein, dass man sie nur mit einem Elektronenmikroskop sehen kann. Man kann Viren auch nicht einfach wie Bakterien auf oder in Nährmedien wachsen lassen, weil sie für ihre Vermehrung bestimmte Zellen warmblütiger Tiere brauchen. Der von uns gesehene Film stellte das leider falsch dar. Um Viren nachweisen zu können, brauchte Pasteur einen Test. Er musste Versuchstieren Gewebeproben eines tollwütigen Tieres injizieren und benutzte dafür Hunde und Kaninchen. Die Viren wurden vorher mit verschiedenen Methoden abgeschwächt oder inaktiviert.
Der Mensch als Multisymbiose mit vielen Ökosystemen
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Der selbständigen Erarbeitung dieses Kapitels dient das Übungsmodul Multisymbiose Mensch mit klausurähnlichen Aufgaben. |
Bis zu seiner Geburt besteht ein Mensch nur aus seinen eigenen menschlichen Zellen. Aber schon auf dem Weg durch den Geburtskanal und bei unseren ersten Kontakten mit der Umwelt beginnt die Besiedlung seines Körpers durch nach einer besonders genauen Zählung und Berechnung bei durchschnittlich schweren Männern rund 40 Billionen (1012) Bakterien. Das sind mehr als die Hälfte aller Zellen, aus denen ein menschlicher Organismus aufgebaut ist. Weil sie sehr viel kleiner als menschliche Zellen sind, wiegen sie aber nur wenige Kilogramm. Mit einigen Bakterienarten verbinden uns Symbiosen, ohne die wir nicht leben können. Wir sind beispielsweise auf die Vitamine angewiesen, die bestimmte Darm-Bakterien produzieren. Auch verschiedene Kohlenhydrate könnten wir ohne bakterielle Unterstützung kaum oder nur schwer verwerten. Andere Mikroorganismen sind einfach nur Mitesser, die etwas von unserer Nahrung abhaben wollen. Hinzu kommen noch unzählige Viren und eine sehr viel kleinere Anzahl größerer Parasiten wie Würmer oder die höchstens 0,4 mm großen, länglichen Milben, die in den Haarbälgen menschlicher Wimpern leben. Nachts kommen sie heraus und ernähren sich von abgestorbenen Hautzellen und kriechen zu anderen Haarbälgen. Die meisten Menschen sollen irgendwann in ihrem Leben von diesen Milben besiedelt werden. Deshalb ist der Mensch ein komplexes und noch weitgehend unverstandenes Ökosystem mit vielen unterschiedlichen Lebensräumen und man kann den Menschen sogar als eine Mehrfach-Symbiose verstehen. Deshalb ist die Besiedlung des Menschen durch Bakterien auch nicht einfach eine feindliche Übernahme, sondern das Neugeborene selber scheint im Darm sein Immunsystem zu unterdrücken, damit er von den nützlichen Bakterien besiedelt werden kann. Mäuse ohne Mikroorganismen bilden keine gesunden Organe. Überwiegend stammen die bakteriellen Helfer auf und im Körper eines Menschen von seiner Mutter. Aber auch beim Küssen und anderen intimen Kontakten mit anderen Menschen tauschen wir Mikroorganismen aus. Leider passiert das auch, wenn wir Türklinken oder Lichtschalter benutzen.
Gesund besonders alt gewordene Menschen heben besondere Mikrobiome mit die Gesundheit fördernden Bakterien - Tomasz Wilmanski, Christian Diener, Noa Rappaport, Sushmita Patwardhan, Jack Wiedrick, Jodi Lapidus, John C Earls, Anat Zimmer, Gustavo Glusman, Max Robinson, James T Yurkovich, Deborah M Kado, Jane A Cauley, Joseph Zmuda, Nancy E Lane, Andrew T Magis, Jennifer C Lovejoy, Leroy Hood, Sean M Gibbons, Eric S Orwoll, Nathan D Price - Gut microbiome pattern reflects healthy ageing and predicts survival in humans - Nature metabolism 2021 Feb; 3(2): 274-286.
Ein sogenanntes Mikrobiom-Projekt erforscht, welche Mikroorganismen-Spezies auf und in uns leben. Bei 99% unserer Mikroorganismen ist die Zucht im Labor noch nicht gelungen.
Im Mittelalter lebten auf dem Menschen noch viel unangenehmere Parasiten. Einer davon war der Floh, der das 30-fach seines Gewichts stemmen und 100-mal weiter springen kann, als er selbst lang ist. Leider braucht er zu seiner Ernährung Blut und kann beim Saugen Krankheitserreger von verschiedenen Tierarten auf den Menschen übertragen. Während man Flöhe und Milben gerade noch sehen kann, bekommen wir vom Kampf der Mikroben auf und in unserem Körper nichts mit. Sie sind einfach zu klein für das Auflösungsvermögen unserer Augen. Sie versuchen sich zu vermehren, aber fast alle Plätze sind schon besetzt und jede Nahrungs-Quelle wird schon genutzt. Für die Mikroorganismen sind wir viel zu groß, um uns in unserer Gesamtheit zu erfassen. Für sie sind wir wie ein Planet mit vielen sehr unterschiedlichen Landschaften. Würmer können einerseits gefährliche Parasiten sein, andererseits hat aber die Ausrottung parasitierender Würmer in vielen Ländern zu einer starken Zunahme der Allergien geführt. Die im Film als Beispiele eigentlich harmloser Allergie-Auslöser gezeigten Pollenkörner sind übrigens auch Mikroorganismen und interessante Beipiele für Lebewesen, die nicht die fragwürdigen Kriterien des Lebens erfüllen.
Zumindest weitgehend unbesiedelt von Mikroorganismen bleiben auch das Gehirn, die Blase, die Lunge und natürlich das Blut. Werden diese Organe doch einmal infiziert, dann wird es mindestens unangenehm, meistens sogar akut lebensgefährlich. Lebensgefährlich können Salmonellen sein, die uns vergiften. Eigentlich leben sie hauptsächlich in Reptilien und Vögeln, aber über Hühnereier oder Geflügelfleisch können sie in unseren Körper kommen. Sie bilden winzige Nadeln, mit denen sie in unsere Zellen stechen und Botenstoffe injizieren können. Damit lähmen sie unser Immunsystem. Manche Bakterienarten wie EHEC sind eng verwandt mit harmlosen Arten wie dem Vitamin K produzierenden Escherichia coli, produzieren aber im Gegensatz zu ihren friedlichen Verwandten lebensgefährliche Gifte. Deshalb ist es sehr wichtig für uns, dass möglichst alle Plätze in uns von den harmlosen und nützlichen Bakterien besetzt sind. Ungleichgewichte zwischen in uns lebenden Mikroorganismen können zu Krankheiten führen. Manche Bakterien scheinen schädlich und nützlich sein zu können. So fördert das Bakterium Helicobacter pylori die Entstehung von Magengeschwüren und Magenkrebs, aber es scheint auch gefährliche Bakterien zu töten, die in einen menschlichen Magen gelangen.
Nicht nur unsere Haut schützt uns vor dem Eindringen gefährlicher Mikroorganismen, sondern auch Bakterien, die jeden freien Platz auf ihr besetzen und unseren Schweiß in eine für viele Keime tödliche Säure umwandeln. Auf den rund 2 Quadratmetern menschlicher Haut sollen mehr friedliche Mikroben leben als Menschen auf der Erde. Mehr als 1000 verschiedene Arten von Bakterien können die menschliche Haut bevölkern. Und haben sich doch irgendwo einige Krankheitserreger festsetzen können, dann werden wir sie oft los, indem wir ständig Hautschuppen abwerfen. Beim Duschen oder Baden entfernen wir von unserer Haut nicht nur Schmutz, sondern auch viele Mikroorganismen und unseren Säureschutzfilm. Für Krankheitserreger ist das eine Chance, freie Plätze auf einer noch nicht zu sauren Haut zu erobern. Deshalb wäre es keine gute Idee, etwa mit Desinfektionsmitteln möglichst viele Bakterien von unserer Haut entfernen zu wollen.
Wird unsere Haut verletzt, können Mikroorganismen in uns eindringen, die auf der Haut harmlos, im Körperinneren aber tödlich sind. Deshalb setzen verletzte Zellen Hormone frei, die den Blutfluss steigern und damit auch die lokale Körpertemperatur erhöhen. Die Wärme steigert die Aktivität unserer weißen Blutkörperchen (Leukozyten), die Eindringlinge bekämpfen. Die Fresszellen unter ihnen machen Mikroorganismen einfach dadurch unschädlich, dass sie diese auffressen. Dabei vergrößern sie ihre Reichweite durch das Ausstülpen armähnlicher Fortsätze. Mit Botenstoffen rufen sie weitere Leukozyten zur Einsatzstelle. Zusätzlich präsentieren Fresszellen (Antigen-präsentierende Zellen) Bruchstücke der gefressenen Krankheitserreger auf speziellen MHC-2-Präsentiertellern, damit T-Helferzellen ausprobieren können, ob ihre Rezeptoren Teile des Eindringlings binden. Sobald ein Rezeptor einer T-Helferzelle auf ein Erregerbruchstück passt, wird die T-Helferzelle aktiviert und vermehrt sich. Gemeinsam suchen dann ihre Nachkommen eine passende B-Zelle, um diese zur Produktion von Antikörpern gegen den Endringling zu aktivieren. Anders als im Film behauptet, können T-Killerzellen und natürliche Killerzellen das nicht. Sie suchen nicht auf Fresszellen nach MHC-2-Präsentiertellern, sondern auf ganz normalen Körperzellen nach MHC-1-Präsentiertellern. Passt der Rezeptor einer T-Killerzellen zu einem darauf päsentierten Virus-Bruchstück, dann veranlasst sie die infizierte Zelle zum Selbstmord, damit sich die Viren nicht weiter in der Zelle vermehren können.
Während unser Immunsystem Eindringlinge bekämpft, ziehen sich verletzte Blutgefäße zusammen, um den Blutfluss zu reduzieren. Dann versuchen Blutplättchen, die Wunde zu schließen. Dazu vernetzen sich sich untereinander und mit den Wundrändern und schließen dabei auch rote Blutkörperchen ein. Kleinere Blutungen können binnen 1-3 Minuten gestillt werden. Erst danach setzt die eigentliche Blutgerinnung ein, welche die Wunde mit einem dichten Netzwerk aus Fibrinfäden schließt. Tausendmal dünner als ein menschliches Haar sind die Fibrinfäden extrem elastisch, aber auch sehr reißfest. Außen bildet sich ein Wundschorf, innen dient das Geflecht als Gerüst für die Neubesiedlung mit Zellen. Später wird das Fibringerüst durch Kollagenfasern ersetzt. Entfernt man die Kruste, dann fehlt den neuen Hautzellen das Leitsystem und entstehen auffälligere Narben. Erfolgt der Wiederaufbau verletzter Haut geordnet, dann bilden sich nach und nach auch wieder Blutgefäße und Nerven, sodass sich die neue Haut bald nicht mehr von der alten unterscheidet.
Auch im menschlichen Mund können rund 1000 verschiedene Arten von Mikroorganismen leben. In jedem einzelen Menschen sind es aber nur etwa 100 Spezies. Es hängt vom Zufall ab, welche Arten den Weg in unseren Mund finden. Aber es hängt auch von unseren Ess- und Zahnpflegegewohnheiten ab, wie gut oder schlecht sich einzelne Spezies in unserem Mund vermehren können.
Lange Zeit haben selbst Naturwissenschaftler geglaubt, die menschliche Evolution habe aufgehört, weil wir unsere Fressfeinde ausgerottet oder verdrängt haben. Aber gefährliche Mikroben greifen uns unablässig an und fordern unser Immunsystem heraus. Sie entwickeln sich ständig weiter und das muss auch das menschliche Immunsystem. Die für Menschen gefährlichsten Tiere sind heute nicht mehr Raubkatzen, Bären oder Schlangen, sondern weibliche Mücken, weil sie krankheitserregende Mikroorganismen wie die in menschlichen Zellen lebenden Krankheitserreger der Malaria übertragen, die mit ihrem starken Gift jährlich über 1 Million Menschen töten.
Letztlich ist die Notwendigkeit einer ständigen Anpassung des menschlichen Immunsystems an immer neue Krankheitserreger sogar das Grund, warum wir uns ausschließlich sexuell fortpflanzen und durch Alterung sterben, um den jüngeren Generationen Platz zu machen. Unser Krieg gegen feindliche Mikroben und unsere Bündnisse mit für uns nützlichen Mikroorganismen haben unbewusst großen Einfluss auf unser Verhalten, aber unser Bewußtsein wird darüber nicht informiert.
Krankheitserregende Mikroorganismen hatten sogar großen Einfluss auf die menschliche Geschichte. Zum Beispiel töteten von Rickettsien (in Zellen lebende Bakterien mit großer Ähnlichkeit zu Mitochondrien) und andere von Kleiderläusen übertragene Krankheitserreger ein Drittel der Soldaten, mit denen Napoleon Russland angegriffen hatte. Im Mittelalter tötete die Pest Mitte des 14. Jahrhunderts rund ein Drittel der europäischen Bevölkerung und entvölkerte ganze Landstriche. Die meisten Fachleute machen heute Bakterien (Yersinia pestis) dafür verantwortlich, die durch Flöhe von Ratten auf Menschen übertragen worden sein sollen.
Zu den wichtigen menschlichen Kulturtechniken gehören seit Jahrtausenden Methoden zur Nutzung von Mikroorganismen in der Nahrungsmittel-Produktion. Eine relativ neue Entwicklung ist die Nutzung von Mikroorganismen in der Medizin. Pilze und Bakterien stellen Wirkstoffe für Medikamente her und Viren (Bakteriophagen) werden benutzt, um Bakterien zu töten.
amöboide Parasiten
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| Naegleria fowleri, ein für Menschen fast immer tödlicher, Gehirn-fressender Parasit |
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| Alexander J. da Silva und Melanie Moser in den Centers for Disease Control and Prevention, Public domain |
Nutzmikroorganismen
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Als Nutzmikroorganismen werden unterschiedliche Arten von Hefen (einzellige Pilze) gezüchtet, um verschiedene Weine, Biersorten, Brot, Milchprodukte (Kefir) und Medikamente zu produzieren. Hefen können genau wie Schimmelpilze auch Krankheitserreger sein und Schimmelpilze werden wie Hefen auch in der Lebensmittel- sowie Medikamentenproduktion (Käse, Antibiotika). Auch Bakterien können nicht nur ein Hygieneproblem sein oder als Destruenten wirken. In der Lebensmittel-Produktion spielen sie eine wichtige Rolle als Sauerteig- oder Joghurt-Bakterien. Bakterien besitzen wie Pflanzen stabile Zellwände, aber als Prokaryoten besitzen sie keine Zellkerne oder andere Organellen. Sie besitzen aber außer einem großen ringförmigen Chromosom auch kleine ringförmige Plasmide unter anderem mit Genen für Antibiotik-Resistenzen. Als kleinste Nutzmikroorganismen werden inzwischen sogar die zu den Viren gehörenden Bakteriophagen in der Lebensmitteltechnologie genutzt. Auf Oberflächen von Lebensmitteln schützen sie diese immer häufiger vor Bakterien. In der Medizin können sie Antibiotika ersetzen und haben den großen Vorteil, den Anpassungen der Bakterien durch eigene Anpassungen rasch folgen zu können.
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Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0
