Cyanobakterien

Einführung

Der Moment, in dem die Cyanobakterien (Cyanobacteria), auch Blaualgen genannt, auf der Erde erschienen, war zweifellos das wichtigste evolutionäre Ereignis. Wir gehen dann etwa 3.5 Milliarden Jahre in der Zeit zurück. Vor dieser Zeit war die Erde ein anoxischer Planet, dessen einzige Lebensform Bakterien waren, die ohne Sauerstoff gedeihen konnten, die sogenannten anaeroben Bakterien. Von dem Moment an, als die Cyanobakterien auftauchten, wurde Sauerstoff mittels Photosynthese produziert. Cyanobakterien besitzen den für die Photosynthese notwendigen Farbstoff Chlorophyll. Die plötzliche Präsenz von Sauerstoff hat die Evolution beschleunigt und die Entstehung komplexerer vielzelliger Organismen ermöglicht. Ohne Sauerstoff wäre das Leben auf der Erde wahrscheinlich immer noch einzellig in Form von Bakterien gewesen.

Dass Cyanobakterien auch Blaualgen genannt werden, ist irreführend. Mit Algen haben sie nichts zu tun. Cyanobakterien sind wie alle anderen Bakterien prokaryotische Organismen, d. h. sie besitzen keinen Zellkern und keine Zellorganellen. Alle Algen sind eukaryotisch.

Ein wichtiges und interessantes theoretisches Konzept in der Evolutionsbiologie ist die Aufnahme von Cyanobakterien durch die ersten eukaryotischen Zellen, die sie zu Vorläufern von Chloroplasten machen. Es ist plausibel, dass Chloroplasten und auch Mitochondrien entstanden sind, weil Cyanobakterien bzw. andere Bakterien durch Endosymbiose in die ersten primitiven eukaryotischen Zellen aufgenommen wurden. Diese Theorie wird als Endosymbionten-Theorie bezeichnet und ist heute weithin anerkannt.

Cyanobakterien kommen weltweit in allen wässrigen Umgebungen vor und produzieren einen erheblichen Teil des Sauerstoffs in unserer Atmosphäre. Einige Arten verursachen im Sommer Algenblüten, die durch die Ausscheidung giftiger Stoffe zu massivem Fischsterben führen können.

Was folgt, sind Bilder einiger Cyanobakterien, denen ich im Laufe der Zeit begegnet bin und die ich fotografiert habe.

Nostoc

Nostoc ist ein koloniebildendes Cyanobakterium, das aus fadenförmigen Ketten verbundener Zellen mit einem Durchmesser von 3-7 μm besteht. Die Zellen sind in eine geleeartige Matrix eingebettet und makroskopisch ist Nostoc als schleimiges, braunes bis olivfarbenes Material sichtbar.

Eine schleimige braune Schicht, die ich in einer Pfütze in Amersfoort fand, entpuppte sich als eine Kolonie von Nostoc (links). Rechts: Die Nostoc-Ketten fotografiert mit Carl Zeiss Plan 25/0.45.

Nostoc, fotografiert mit Carl Zeiss Neofluar 16/0.40 in Dunkelfeldbeleuchtung (links) und in Hellfeldbeleuchtung mit Carl Zeiss Apo 40/1.0 (rechts).

Nostoc, fotografiert mit schiefe Beleuchtung und Carl Zeiss Apo 40/1.0 (links) und Lomo Apo 70/1.23 (rechts). Im Hintergrund sind viele normale Bakterien als kleine Stäbchen sichtbar.

Nostoc, fotografiert in Ringförmige Beleuchtung mit Leitz Planapo 25/0.65 (links) und im Schräglicht mit Zeiss-Winkel 25/0.45 (rechts).

Anabaena

Anabaena ist ein fadenförmiges Cyanobakterium, das Stickstoff aus der Luft binden kann und dafür bekannt ist, Toxine zu produzieren. Die Zellen sind zylindrisch oder rund und in Ketten von 3-12 μm Durchmesser angeordnet. Einige Zellen in den Ketten sind deutlich größer und es handelt sich um spezialisierte Zellen. Wir unterscheiden hier die sogenannten Heterocysten und Akineten. Heterozysten sind Zellen, die Stickstoff aus der Luft binden können und somit für eine Stickstofffixierung sorgen. In den Akineten werden Reservestoffe gespeichert, das sind Zellen, die überleben, wenn die Bedingungen sehr ungünstig werden.

Die langen Ketten von Anabaena. Links: Objektiv Zeiss Apo 40/1.0. Rechts: Objektiv Zeiss-Winkel 40/0.65.

Am Werk gibt es einen großen Teich, der im Sommer manchmal ganz grün wird und von dem ich mal eine Probe genommen habe. Die Cyanobakteriendichte war sehr hoch und es stellte sich heraus, dass es sich um Anabaena spiroides handelte. Es waren so viele Cyanobakterien vorhanden, dass die entnommene Probe eher wie grüne Farbe aussah.

Algenblüte von Anabaena spiroides im Teich bei meiner Arbeit. Rechts ist zu zu sehen wie viskos die entnommene Probe war.

Anabaena Spiroides. Links: Schiefe Beleuchtung mit Objektiv Zeiss-Winkel 40/0.65. Rechts: Dunkelfeldbeleuchtung mit Leitz Objektiv NPL Fluotar 25/0.55.

Anabaena fotografiert in Phasenkontrast. Objektiv: Carl Zeiss Neofluar 40/0.75 Ph2.

Microcystis

Während der Sommersaison wird an den heißesten Tagen manchmal vor Blaualgen gewarnt. Dies betrifft vor allem das Cyanobakterium Microcystis, das verschiedene Toxine produziert, die für Mensch und Tier schädlich sein können. Das bekannteste Toxin, das von diesem Cyanobakterium produziert wird, ist Mycrocystin, das Leberschäden verursachen kann. Algenblüten durch Microcystis treten hauptsächlich in stehenden oder langsam fließenden Gewässern auf. Microcystis bildet Kolonien aus vielen kleinen runden Zellen mit einem Durchmesser von 1-9 µm.

Links: Algenblüte von Microcystis in der Maas bei Kessel (Limburg). Davon habe ich eine Probe genommen und mit dem Objektiv Zeiss-Winkel 40/0.65 fotografiert (rechts).

Die Kolonien von Microcystis aeruginosa können typische Muster bilden, die bei geringer Vergrößerung deutlich sichtbar sind. Links: Objektiv 10/0.25. Mitte und rechts: Objektiv 20/0.40.

Microcystis fotografiert in Dunkelfeldbeleuchtung (links) und Ringförmige Beleuchtung (rechts). Objektiv: Carl Zeiss Apo 40/1.0.

Oscillatoria

Oscillatoria zu beobachten ist faszinierend. Diese fadenförmigen Cyanobakterien bewegen sich langsam in einer kriechenden Bewegung. Der Mechanismus hinter dieser Bewegung ist noch nicht vollständig aufgeklärt. Oscillatoria besteht aus langen Filamenten kleiner zylindrischer Zellen. Die Breite der Filamente variiert von 1-35 µm.

Oscillatoria, von links nach rechts fotografiert mit Leitz NPL Fluotar 25/0.55, Leitz NPL Fluotar 40/0.70 und Zeiss 25/0.45.

Animierten GIF von bewegende Oscillatoria. Objektiv: Motic EF-N Plan 40x/0.65.

Aphanizomenon

Aphanizomenon ist ein filamentöses Cyanobakterium, das wie Oscillatoria beweglich ist. Der Durchmesser der Filamente variiert zwischen 2-8 μm. Dieses Cyanobakterium kann auch giftige Algenblüten verursachen.

Aphanizomenon, gefunden in einem Hafen in Amersfoort. Links: makroskopischer Aspekt bestehend aus Faden. Rechts: Filamente mit grünen ovalen Heterocysten. Objektiv: Carl Zeiss Apo 40/1.0.

Animierten GIF von bewegende Aphanizomenon. Objektiv: Carl Zeiss Apo 40/1.0.

Literatur

Linne von Berg, KH., Hoef-Emden, K., Marin, B., Melkonian, M. (2012). Der Kosmos Algenführer. Stuttgart: Franckh-Kosmos-Verlags-GmbH & Co.

Kremer, B. P. (2002). Das große Kosmos-Buch der Mikroskopie. Stuttgart: Franckh-Kosmos-Verlags-GmbH & Co.