Bakterien navigieren mit Kompass

Orientierung im Magnetfeld: Die zunächst gleichmäßig und zufällig verteilten Mikroorganismen schwimmen gezielt zum Rand der Probe, wenn ein Magnet daran gehalten wird (Bildreihenfolge von links oben nach rechts unten).

Was verbindet den berühmten spanischen Seefahrer Christoph Kolumbus mit winzigen Mikroorganismen? Nicht etwa eine bakterielle Infektion, der Kolumbus zum Opfer gefallen wäre, sondern der Mechanismus, den beide zur Orientierung im Raum nutzen. Kolumbus erkundete im Auftrag der spanischen Krone einen kürzeren Seeweg nach Asien, landete im Jahr 1492 in der Karibik und „entdeckte“ damit Mittelamerika für die westliche Welt. Um sich auf dem Meer zurechtzufinden verwendete er einen Kompass, bei dem sich eine frei drehende Magnetnadel nach dem Magnetfeld der Erde ausrichtet und immer nach Norden zeigt. Eine sehr ähnliche Navigations-Technik hat sich in einer bestimmten Gruppe von Mikroorganismen, den so genannten magnetotaktischen Bakterien, entwickelt.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen erforschen diese Lebewesen. Um sich in ihrem Lebensraum orientieren zu können, nutzen die magnetotaktischen Bakterien im Prinzip ein Kompass-System, mit dem sie sich gezielt entlang des Magnetfelds der Erde bewegen. Diese Fähigkeit wird Magnetotaxis genannt, und daher haben die Bakterien auch ihren Namen. Seit langem wissen Forscher, dass sich Bakterien anhand von Licht, Temperatur, Nähr- und Schreckstoffen oder anderen chemischen Verbindungen orientieren. Doch erst 1975 entdeckte der amerikanische Mikrobiologe Richard Blakemore in einer Schlammprobe die magnetotaktischen Bakterien: Mikroorganismen, deren Schwimmrichtung er mit einem Magneten dirigieren konnte. Er fand heraus, dass diese Lebewesen würfelförmige eisenhaltige und magnetische Kristalle in sich tragen, die eine „Kompass-Navigation“ ermöglichen. „Blakemores Entdeckung war damals eine Sensation, denn die Fähigkeit zur Magnetfeld-Orientierung hätte man in Bakterien niemals erwartet“, sagt Arbeitsgruppenleiter Dirk Schüler.

Die Begeisterung Blakemores und seiner Kollegen über diese Bakterien wurde jedoch bald gedämpft, da sie sich nicht zufriedenstellend im Labor züchten ließen. Gerade diese so genannten Reinkulturen benötigen Wissenschaftler jedoch, wollen sie Mikroorganismen biochemisch, molekulargenetisch oder physiologisch untersuchen. „Magnetotaktische Bakterien sind an komplexe Muster bestimmter vertikaler chemischer Gradienten angepasst, die unter Laborbedingungen nur sehr schwer simuliert werden können“, erklärt Mikrobiologe Schüler. Und er muss es wissen: Gelang es ihm doch vor etwa zehn Jahren als einem der Ersten, ein magnetotaktisches Bakterium aus einem Fluss nahe der Stadt Greifswald im Labor zu kultivieren. In Anlehnung an den Fundort nannte er es Magnetospirillum gryphiswaldense. Auch heute noch finden die meisten Untersuchungen in Bremen an „Nachkommen“ dieses Bakteriums statt, denn sie sind am besten erforscht und am einfachsten zu züchten.

In der Natur sind magnetische Bakterien keinesfalls selten. Tatsächlich kommen sie in fast allen Tümpeln, Flüssen, Seen und Meeren vor. Ihre Größe liegt bei etwa einem Mikrometer (ein tausendstel Millimeter). Unter dem Mikroskop entpuppen sie sich als spiral-, stäbchen- oder kommaförmige Lebewesen; einige gleichen sogar kleinen Fußbällen. Die Mikroorganismen schwimmen gewöhnlich nicht frei im Gewässer herum, sondern leben in einer ganz bestimmten Zone: der Grenzfläche von Sediment und Wasser. Genau hier, wo das Wasser auf den Grund eines Sees oder Meeres trifft, herrschen für sie optimale Bedingungen. Weshalb sich gerade in diesem Grenzbereich die Fähigkeit zur Magnetotaxis entwickelt hat, können die Fachleute bisher noch nicht eindeutig klären. Sie vermuten, dass die winzigen Wesen dadurch einen Selektionsvorteil haben.

Die Bakterien sind mikroaerophil oder anaerob, d.h. zu viel Sauerstoff ist für sie tödlich. Einer wissenschaftlichen Theorie zufolge schwimmen sie daher mithilfe einer oder mehrerer rotierender Geißeln entlang der erdmagnetischen Feldlinien: in der nördlichen Hemisphäre stets in Richtung Norden, in der südlichen Hemisphäre in Richtung Süden. Das bedeutet in beiden Fällen, dass die Bakterien immer nach unten schwimmen, also in tiefere Schichten und damit in Zonen mit weniger Sauerstoff. „Magnetotaxis, also die gerichtete Bewegung entlang eines Magnetfelds, scheint besonders dort vorteilhaft zu sein, wo die Bakterien schnell auf sich verändernde chemische Gradienten reagieren und zügig ihre optimale Position finden müssen“, sagt Schüler. Dies ist möglicherweise nicht die einzige Erklärung für diese komplexen Prozesse. Denn die magnetischen Bakterien haben auch andere Navigationsmechanismen zur Verfügung: „Wenn wir sie unter Eisenmangel wachsen lassen, dann züchten wir im Labor nicht-magnetische Bakterien, die sich dennoch orientieren können. Wie diese Orientierungsmechanismen mit der Magnetotaxis zusammenwirken, daran wird noch gearbeitet“, sagt der Bremer Wissenschaftler.