Methanocaldococcus jannaschii

Mit Rekordgeschwindigkeit durch die Tiefsee

Heute starten wir mit einer kleinen Frage an euch: Woran denkt ihr, wenn ich euch nach dem schnellsten Lebewesen der Welt frage?

Die meisten werden sagen: „Oh, das weiß ich, das ist der Gepard.“ Und tatsächlich erreicht diese Großkatze auf kurze Distanzen Sprintgeschwindigkeiten von bis zu 120 Stundenkilometer. Damit ist sie aber nur das schnellste Landsäugetier der Welt. Ihr seht also hier schon, wie die Definition präziser wird. Die schnellsten Säugetiere im Wasser sind nämlich schon die Delfine, die bis zu 90 Stundenkilometer schnell schwimmen können. Damit sind aber auch sie nicht die schnellsten Lebewesen im Wasser. Diesen Rang läuft ihnen der Fächerfisch ab. Und wenn wir schon bei absoluten Spitzengeschwindigkeiten sind: Wanderfalken erreichen im Sturzflug Geschwindigkeiten von bis zu 350 Stundenkilometer. Das ist nochmal fast 3 mal so schnell, wie ein Gepard laufen kann. Deshalb führen Wanderfalken auch die meisten Listen der schnellsten Tiere der Welt an. Jetzt mag manch einer aber sagen: Wanderfalken erreichen diese Geschwindigkeit doch gar nicht durch aktives Fliegen, sondern nur unter Mithilfe der Schwerkraft. Sollte dann nicht der Schwarzfußalbatross, der im aktiven Flug 175 Kilometer in der Stunde zurücklegen kann als schnelleres Lebewesen zählen?

Ihr seht also, „das“ schnellste Lebewesen der Welt ist gar nicht so leicht zu ermitteln. Zumal wir in den vorangegangenen Vergleichen auf die Maßeinheit Kilometer pro Stunde zurückgegriffen haben. Diese ist zwar durchaus nützlich, da sie alle Geschwindigkeiten ins Verhältnis zu ihrer Umwelt setzt und damit eine gute Vergleichbarkeit erreicht. Allerdings führt die Verwendung dieser Einheit auch dazu, dass der Wettbewerb um den Titel „Schnellstes Lebewesen der Welt“ sehr schnell ungerecht wird.

Vielleicht wäre die bessere Maßeinheit also Körperlängen pro Sekunde. Und dann kommen nochmal ganz andere Kandidaten ins Spiel. Beispielsweise der Kolibri Calypte anna, der sich mit bis zu 385 Körperlängen pro Sekunde fortbewegen kann - oder die Rinderbremse, die im Flug ebenfalls auf knapp 300 Körperlängen pro Sekunde kommt. Da das hier ein Mikroben Podcast ist, können wir uns sogar noch kleinere Lebewesen ansehen und hier wird es wirklich faszinierend.

Mit knapp 500 Körperlängen pro Sekunde teilen sich die beiden Archaeenspezies Methanocaldococcus villosus und Methanocaldococcus jannaschii einen unglaublichen Rekord. Blitzschnell können sich die beiden Mikroben durch die Welt bewegen. Zum Vergleich: rechnet man diese 500 Körperlängen pro Sekunde um, entspräche das einem Geparden, der mit 3.000 Kilometern pro Stunde läuft oder einem Sportwagen, der mit 6.000 km/h bereits am Blitzer vorbei gerast ist, bevor der überhaupt auslöst. Das in Wirklichkeit schnellste Lebewesen der Welt ist also eine Mikrobe. Naja, zumindest wenn man die entsprechende Definition wählt.

Heute wollen wir uns eine dieser beiden blitzschnellen Archaeen-Arten genauer anschauen: Methanocaldococcus jannaschii. Eigentlich ist das sogar die etwas langsamere der beiden Arten, primär allerdings weil sie mit 2 µm Körpergröße etwa einen Mikrometer größer ist, als Methanocaldococcus villosus. Weniger beeindruckend ist die Höchstgeschwindigkeit von 590 µm/s dadurch allerdings nicht.

Woher kommt jetzt aber eine Mikrobe, die sich so schnell fortbewegen kann? Was nutzt ihr das und wie genau erreicht sie diese Geschwindigkeiten?

Methanocaldococcus ist wie bereits erwähnt eine Archaee. Die Archaeen bilden neben den Bakterien und den Eukaryoten, zu denen auch wir Menschen gehören, die dritte große Domäne des Lebens. Erstmals gefunden wurde Methanocaldococcus jannaschii an einer hydrothermalen Quelle in der Tiefsee, einem sogenannten weißen Raucher. Wie auch beim schwarzen Raucher handelt es sich dabei um Quellen heißen Wassers am Meeresgrund. Die im Wasser gelösten Stoffe werden bei Kontakt mit dem kalten Meerwasser unlöslich und fallen als feine Partikel aus. Dadurch sieht man nicht nur die charakteristischen Rauchwolken, sondern es bilden sich auch meterhohe Mineralsäulen, die den hydrothermalen Quellen ihr charakteristisches an abstrakte Skulpturen erinnerndes Aussehen verleihen. Schwarze und weiße Raucher unterscheiden sich übrigens nicht nur in der Art der im heißen Wasser gelösten Stoffe, sondern auch in der Herkunft des heißen Wassers. Während bei schwarzen Rauchern das Wasser durch magmatische Wärmequellen aufgeheizt mit hohem Druck und mehreren hundert °C aus den Schornsteinen schießt, sind weiße Raucher viel kälter. Da die Wärme im Wasser hier durch chemische Reaktionen mit Gestein entsteht, erreichen sie nur Temperaturen von 40 °C bis 95 °C. Das nur steht hierbei in Anführungszeichen. Das ist immer noch ganz schön warmes Wasser. Und trotzdem fühlt sich Methanocaldococcus jannaschii bei diesen Temperaturen pudelwohl. Zusätzlich zur Hitze herrscht in 2600 m Tiefe auch etwa das 200fache des normalen Atmosphärendrucks, Nährstoffe sind nur wenig vorhanden und auch die Salzkonzentrationen sind nicht zu unterschätzen. Doch Methanocaldococcus ist genügsam. Nur unter Nutzung von Kohlendioxid als primäre Kohlenstoffquelle kann die Archaee an diesem scheinbar lebensfeindlichen Ort wachsen und gedeihen.

Wie erreicht die Archaee jetzt aber ihre Rekordgeschwindigkeit? Und wie hilft ihm das weiter? Vielleicht müssen wir an dieser Stelle erstmal mit der Frage einsteigen, wie sich Mikroben überhaupt fortbewegen können. Viele Bakterien oder Archaeen besitzen dafür sogenannte Geißeln. Das sind fadenförmige Gebilde, die außen an den Zellen angebracht sind. Durch einen Motor, der sich in der Außenhülle der Zelle befindet, können diese Geißeln in Rotation gebracht werden und die Zellen dann ähnlich einem Propeller vorantreiben. Bei den Bakterien heißen diese Gebilde Flagellen, bei den Archaeen nennt man sie Archaella. Obwohl beide dieselbe Funktion erfüllen, gibt es doch sehr große Unterschiede zwischen dem bakteriellen und dem archaealen System. Einer dieser Unterschiede ist beispielsweise, dass das Archaellum ATP, die sogenannte Energiewährung der Zelle nutzt. Es wird also direkt angetrieben, während das bakterielle System zwar auch Energie braucht, diese aber über Umwege bereitgestellt wird. Der Hauptgrund dafür, das Methanocaldococcus jannaschii so schnell ist, ist unter anderem wohl die schiere Menge an Geißeln, die die annähernd runden, ca. 2 µm großen Zellen besetzen.

Warum jetzt aber der ganze Aufwand um die Schnelligkeit? Wie vorhin bereits erwähnt, wohnt Methanocaldococcus vor allem an hydrothermalen Quellen. Aus diesen schießt mit hoher Geschwindigkeit heißes Wasser heraus. So kann es doch schnell mal passieren, dass eine der Archaeen von der Strömung mitgerissen und in das eiskalte Wasser der Tiefsee geschleudert wird. Dann sind die Mikroben plötzlich Temperaturen um die 2 °C ausgesetzt – und das bei Wohlfühltemperaturen, die eher um die 80 °C liegen. Deshalb heißt es dann – so schnell wie möglich wieder zurück ins schöne warme Wasser, hinaus aus ungünstigen Strömungen und zu einem geeigneteren Habitat. Bei dieser Aussicht würde sich sicher jeder von euch beeilen - auch wenn 500 Körperlängen pro Sekunde für uns Menschen wohl trotzdem nicht zu erreichen sind. Die Archaella könnten aber Forschenden aus Regensburg und München zufolge nicht nur der Fortbewegung dienen, sondern von den Zellen auch dafür genutzt werden, sich in den Weißen Rauchern anzuhaften. Haben sie also einen Bereich gefunden, der ihre ideale Wassertemperatur bietet, könnten die Archaeen sich an der poröse Mineralstruktur des Schornsteins festklammern und damit das Risiko des Herauskatapultiert Werdens von Vornherein verringern.

Wo wir schon wieder bei Weißen Rauchern sind: Bereits seit ihrer Entdeckung im Jahr 1977 wurden hydrothermale Quellen als Energiequelle für das erste Leben auf der Erde gehandelt. Durch ihre hohe Wärmeproduktion und die Erzeugung von Wasserstoff könnten sie genug Nährstoffe für die ersten Organismen geboten haben. Um diese Hypothese zu überprüfen, bauten Forschende um Willium Orsi einen schwarzen Raucher im Labor nach. Sie imitierten die Mineralien und Meerwasserzusammensetzung des frühen Ozeans und schafften es somit eine kleine hydrothermale Quelle inklusive der Wasserstoffproduktion zu kreieren. Zu diesem Ansatz wurde dann Methanocaldococcus jannaschii gegeben. Tatsächlich konnten die Archaeen in dieser minimalen Welt nicht nur überleben, sondern sich sogar teilen und vermehren. Das ist nicht nur faszinierend sondern bringt uns auch der Antwort auf die Frage näher, wie die ersten Organismen auf der Erde aussahen. Dabei geht es auch viel um LUCA, den last universal common ancestor, also die Lebensform von der sich alle heute auf der Erde bekannten Organismen in allen drei Domänen des Lebens abgeleitet haben. Über LUCA werden wir sicher in einer zukünftigen Folge dieses Podcast nochmal ausführlich sprechen.

Übrigens ist  Methanocaldococcus jannaschii auch zu einem großen Teil dafür verantwortlich, dass die Archaeen in den 1990er Jahren als eigene Domäne anerkannt wurden. Die Spezies war nämlich die dritte überhaupt, darunter die erste Archaee, deren vollständiges Genom sequenziert werden konnte. Somit konnte also die gesamte Erbinformation analysiert werden. Da die Unterschiede zwischen dieser Spezies und bekannten Bakterien zu groß war, um so eng verwandt zu sein, wurde daraufhin für die Archaeen eine neue Domäne geschaffen.

Methanocaldococcus jannaschii ist also nicht nur ein Rekordhalter was Schwimmgeschwindigkeiten angeht, sondern auch ein wahrer Überlebenskünstler. Um in den hydrothermalen Quellen der Tiefsee überleben zu können, setzt das Bakterien auf seine Geißeln, kleine fadenförmige Strukturen, die ihm sowohl zur Anhaftung an seinem Wohlfühlort als auch als Propeller dienen können, sollte diese Mikrobe doch mal von ihrer Lieblingsnische mit idealer Wassertemperatur fortgeschwemmt werden. In der Zeit, in der ich also Methanocaldococcus jannaschii ausgesprochen habe, ist die Archaee schon längst wieder in ihrem bequemen Whirlpool alias schwarzen Raucher angekommen.

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Links & weitere Infos

Pressemeldung der Uni Regensburg ‘Die schnellsten Lebewesen der Welt’

Erste Beschreibung und Genomsequenzierung von M. jannaschii

Jones, W.J. et al. (1983), Archives of Microbiology, 136(4), pp. 254–261.

Thennarasu, S. et al. (2013), Genome Announcements, 1(4), pp. e00481-13.

Schwimmverhalten von M. jannaschii

Herzog, B. and Wirth, R. (2012), Applied and Environmental Microbiology, 78(6), pp. 1670–1674.

M. jannaschii am Ursprung des Lebens

Helmbrecht, V. et al. (2025), Nature Ecology & Evolution, 9(5), pp. 769–778.