Mikroben helfen Austern beim Aufbau ihrer Schalen

Austern liegen ruhig auf dem Meeresboden, filtern Wasser und bilden dicke Schalen aus, die sie vor Fressfeinden sowie rauen Umweltbedingungen schützen.

Diese Schalen sind weit mehr als einfache Hüllen. Es handelt sich um komplex aufgebaute Strukturen, die überwiegend aus Kalziumkarbonat bestehen – einem Mineral, das Austern fortlaufend herstellen und erhalten müssen. Dafür steuern die Tiere ihre innere Chemie mit bemerkenswerter Genauigkeit.

Neue Forschungsergebnisse der Harvard University deuten darauf hin, dass Austern dabei möglicherweise nicht allein arbeiten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden Hinweise darauf, dass winzige Mikroben im Inneren der Austern dazu beitragen könnten, die für die Schalenbildung nötigen Bedingungen zu schaffen.

Die Entdeckung weist auf eine unauffällige Partnerschaft hin, die Austern helfen könnte, in zunehmend sauren Ozeanen zu überleben.

Die Chemie hinter der Austernschale

Austern leben in Küstengewässern, deren Bedingungen sich ständig wandeln. Gezeiten verändern sich, die Temperaturen steigen und fallen, und der Säuregrad kann im Tagesverlauf schwanken. Dennoch gelingt es den Tieren, die chemischen Verhältnisse in ihrem Körper stabil zu halten.

Diese Stabilität ist entscheidend, denn die Schalenbildung hängt davon ab. Kalziumkarbonat kann sich nur unter passenden chemischen Voraussetzungen bilden. Wird das Milieu im Inneren einer Auster zu sauer, wächst die Schale schwerer und der Vorgang kostet mehr Energie.

Bereits bekannt war, dass Austern ihren inneren pH-Wert regulieren können, um ein stabiles Gleichgewicht zu bewahren. Sie verfügen über die genetischen Werkzeuge, um diese Balance auch dann aufrechtzuerhalten, wenn das umgebende Meerwasser saurer wird.

Mikroben der Austern genauer untersucht

Andrea Unzueta Martinez ist Postdoktorandin im Girguis Lab for Ecophysiology, Biogeochemistry, and Engineering an der Harvard University.

Während ihrer Doktorarbeit hatte Unzueta Martinez Austern untersucht. Danach stellte sie sich eine neue Frage: Austern beherbergen Gemeinschaften von Mikroben – doch welche Funktion erfüllen diese Mikroben?

„Ich wollte zunächst untersuchen, was die Mikroben für das tierische Wirtsorganismus in Bezug auf die Regulierung der Chemie tun“, sagte sie.

Unzueta Martinez konzentrierte sich auf eine kleine Flüssigkeitstasche zwischen dem weichen Körper der Auster und ihrer Schale. Dieser Bereich ist gegenüber dem umgebenden Meerwasser abgedichtet.

„Diese Flüssigkeit ist vollständig von der Umwelt abgeschottet, sodass kein zufälliger Mikroorganismus aus dem Meerwasser einfach hineintreiben könnte“, sagte sie. „Wir haben keine Ahnung, wie diese Mikroben überhaupt dorthin gelangt sind.“

Ein verborgener mikrobieller Partner

Um die Mikroben in diesem abgeschlossenen Raum zu erforschen, entwickelte Unzueta Martinez ein kleines Entnahmesystem, das ähnlich wie ein Katheter funktionierte.

Das Gerät schuf einen wasserdichten Zugang, über den sie Flüssigkeitsproben entnehmen konnte, ohne die Tasche dem Meerwasser von außen auszusetzen. Anschließend untersuchte sie sowohl die Auster als auch die in der Flüssigkeit lebenden Mikroben.

Die Ergebnisse offenbarten etwas Unerwartetes: Gene der Auster und der Mikroben wurden zeitgleich aktiviert.

Noch auffälliger war, dass die Mikroben Gene einschalteten, die mit der Bildung von Kalziumkarbonat verbunden sind.

„Die Mikroben exprimierten Gene, von denen bekannt ist, dass sie die Ausfällung von Kalziumkarbonat unterstützen“, sagte sie. „Und Kalziumkarbonat ist das Material, aus dem die Schale besteht.“

Diese Beobachtung führte zu einer naheliegenden Frage: Könnten die Mikroben der Auster beim Aufbau ihrer Schale helfen?

Signale zwischen Wirt und Mikroben

Die Studie zeigte zudem ein weiteres interessantes Muster. Sobald die Mikroben aktiv wurden, begann die Auster, Gene zu exprimieren, die mit ihrem neuroimmunen System zusammenhängen.

Dieses System erkennt gewöhnlich fremde Eindringlinge wie Bakterien. Bei einigen Tieren kann es jedoch auch nützliche Mikroben mithilfe chemischer Signale steuern.

Unzueta Martinez empfand diese Wechselwirkung zugleich als rätselhaft und faszinierend.

„Was geschieht hier? Stimmen sie sich ab? Kann der Wirt irgendwie über das neuroimmune System mit seinem Mikrobiom kommunizieren, um gemeinsam die Chemie zu regulieren?“

„Es wirft mehr Fragen als Antworten auf“, sagte sie.

Ein umfassenderes Muster in der Natur

Die Forschung wurde im Labor von Peter R. Girguis durchgeführt, Professor für organismische und evolutionäre Biologie sowie Co-Direktor der Harvard Microbial Sciences Initiative.

Laut Girguis fügen sich die Ergebnisse in eine wachsende Zahl von Belegen ein, wonach Tiere für grundlegende biologische Prozesse häufig auf Mikroben angewiesen sind.

„Wir denken oft, dass Tiere die gesamte schwere Arbeit allein erledigen, und manchmal mag das zutreffen“, sagte er. „Doch meistens finden wir, wenn wir genauer hinsehen, Mikroben, die bei einem tierischen Prozess irgendeine Rolle spielen.“

„Es erinnert uns daran, dass wir alle als Tiere in dieser mikrobiellen Welt leben.“

Diese Unterstützung könnte Austern Energie sparen. Statt sämtliche chemischen Vorgänge für den Schalenbau selbst zu leisten, teilen sie möglicherweise einen Teil dieser Aufgabe mit Mikroben, die geschützt in ihrem Körper leben.

Warum Austern in einem sich wandelnden Ozean wichtig sind

Die Ozeane werden allmählich saurer, weil der Kohlendioxidgehalt steigt. Diese Veränderung erschwert es schalenbildenden Tieren wie Austern, Venusmuscheln und Miesmuscheln, Kalziumkarbonat zu erzeugen.

„Je niedriger der pH-Wert des Ozeans wird, desto mehr Energie kostet es ein Tier“, erklärte Girguis.

Wenn Mikroben das geeignete chemische Umfeld für das Schalenwachstum aufrechterhalten helfen, könnte diese Partnerschaft einen spürbaren Unterschied machen. Die Mikroben erhalten einen geschützten Lebensraum, während die Auster chemische Unterstützung bekommt.

„Wenn aber auch nur ein kleiner Teil davon von Mikroben übernommen werden kann, die helfen, günstige Bedingungen für das Schalenwachstum zu schaffen, und die Mikroben davon profitieren, einen Ort zum Leben zu haben, an dem sie nicht gefressen werden, dann ist das der Beginn einer wirklich guten Beziehung.“

Blick auf extreme Lebensräume

Unzueta Martinez möchte diese Art von Beziehung künftig auch bei anderen Meerestieren erforschen. Als Nächstes will sie Tiefseemuscheln untersuchen, darunter Bathymodiolus-Miesmuscheln und Calyptogena-Venusmuscheln.

Diese Tiere leben nahe hydrothermaler Quellen, die zu den lebensfeindlichsten Umgebungen der Erde zählen. Trotz extremer Temperaturen und chemischer Bedingungen gedeihen sie dort.

„Diese Tiere gedeihen prächtig, und sie haben ebenfalls Mikrobiome“, sagte sie. „Das ist eine großartige Gelegenheit, dieses Dreieck aus Wirt, Mikrobiom und der Regulierung der Umweltchemie in unterschiedlichen Lebensräumen zu untersuchen.“

Ein besseres Verständnis dieser Partnerschaften könnte neue Hinweise darauf liefern, wie Meereslebewesen unter schwierigen Bedingungen überleben.

Erkenntnisse, die über Austern hinausgehen

Die Studie berührt auch eine grundlegendere Vorstellung über das Leben auf der Erde. Menschen bringen Mikroben oft mit Krankheiten in Verbindung, doch die meisten Mikroben, die in und um Tiere leben, sind nützlich.

„Doch die überwältigende Mehrheit der Mikroben, die im menschlichen Leben eine Rolle spielen, bringt uns Vorteile“, sagte Girguis.

Fachleute wissen bereits, dass Mikroben Menschen bei der Verdauung helfen und die Darmgesundheit unterstützen. Die Austernstudie liefert ein weiteres Beispiel dafür, wie Tiere auf mikroskopische Partner angewiesen sein könnten, um komplexe chemische Prozesse zu bewältigen.

„Wenn wir beginnen können, die Wege zu entwirren, auf denen eine einfache Auster, die eine viel einfachere Immunsprache besitzt, mit den Mikroben ‚spricht‘, können wir die Widerstandsfähigkeit der Austern besser verstehen“, sagte Girguis.

Für Austern, die einem immer saureren Ozean ausgesetzt sind, könnte dieser leise Austausch mit Mikroben ein Grund dafür sein, dass sie bestehen.

Die vollständige Studie erschien in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.