Nostoc commune

Delikatesse Sternenrotz

„Sternenrotz, Erdgallerte, Zitteralge, Schleimling, Engelsschnäuze, Wetterglitt, Hexenspei“… das sind nur einige der Namen, die unsere heutige Mikrobe im Laufe der Zeit bekommen hat. Das klingt alles wahrlich nicht appetitlich, aber wie würdet ihr gallertartige grüne Klumpen bezeichnen, die nach Regenfällen und Gewittern plötzlich überall auf dem Boden herumliegen?

Erste Beschreibungen dieses Phänomens lassen sich bis ins Jahr 1500 zurückverfolgen. In seinem „kleinen Destillierbuch“ beschreibt der Leibarzt und Botaniker Hiernoymus Brunschwig das „Sternengeschütz“, ein unbekanntes Gewächs, das auf Totholz, Äckern und Brachflächen auftaucht. Auszüge aus dem Sternengeschütz empfiehlt er zur Wundbehandlung. Ob es sich dabei wirklich um eine Beobachtung unserer Mikrobe handelt, ist wohl nicht mit abschließender Sicherheit zu klären. Selbiges gilt auch für Beobachtungen von Paracelsus im 16. Jahrhundert. Der Schweizer Art mit dem vollen Namen Aureolus Philippus Theophrastus Bombast von Hohenheim wurde in seiner Wirkenszeit und darüber hinaus zu einem der wohl bekanntesten Ärzte im europäischen Raum. Seine Kritik der Säftelehre in der Medizin und seine Veröffentlichungen in Volkssprache revolutionierten die Heilkunde. Auch Paracelsus beobachtete grünliche Klumpen, die besonders nach Gewittern aufzutreten schienen und schloss darauf, dass es sich um feurige Geschütze der Sterne handelte, die sich, sobald sie die Erde berührten in gelbliches Gelee verwandelten. Seine Benennung des Phänomens führte dann schließlich zu dem Namen, den die Mikrobe, um die es hier gehen soll, bis zum heutigen Tage trägt. Aus einer Kombination des altenglischen Nost hryl und des deutschen Wortes Nasenloch entstand Nostoch und dann schließlich der Name einer ungewöhnlichen Mikrobe: Nostoc commune.

Wie ist dieses Bakterium nun aber zu seinen seltsamen Spitznamen gekommen? Auch diese Mikrobe kann ja nicht einfach aus heiterem Himmel fallen, auch wenn das der Anschein war, den sie über Jahrhunderte aufrechterhalten hat. Es mag euch jetzt wohl kaum überraschen, wenn ich euch sage, dass Nostoc commune nicht das Nasensekret von Himmelskörpern ist, sondern bereits vor dem Regen auf dem Boden liegt. Abertausend dieser Bakterien bilden eine dichte Gemeinschaft und liegen als hauchdünne, nahezu unsichtbare Schicht auf Wiesen und an Wegrändern. Die vielen Zellen liegen aber nicht einfach aufeinander, sondern sind in eine komplex aufgebaute Schleimschicht eingebettet. Diese bezeichnet man als extrazelluläre Matrix und bei Nostoc commune befinden sich darin eine Vielzahl von Polysacchariden, also langen Ketten von Kohlenhydraten. Genau in diesen langen Ketten liegt nun der entscheidende Punkt. Wenn Nostoc commune nun nass wird, zum Beispiel, weil es regnet, dann binden diese Polysaccharide Wasser. Sie quellen auf und bilden eine Art Gel, wodurch der ganze Zusammenschluss an Zellen auf ein Vielfaches seiner Größe bei Trockenheit anwächst. So entstehen dann eben die charakteristischen Klumpen, die bereits Hieronymus Brunschwig und Paracelsus beobachten konnten.

So langsam sollte also allen klar werden: das, was als Sternenrotz nach dem Regen aufgequollen auf der Erde liegt, ist nicht einfach ein uninteressanter Blob. Vielmehr handelt es sich um ein filigranes Netzwerk von miteinander kommunizierenden Mikroben. Und dieses Zusammenspiel wollen wir uns jetzt mal etwas genauer Anschauen. Nostoc commune liegt in den makroskopisch erkennbaren Schleimklumpen nicht als ungeordnete Ansammlung einzelner Zellen vor. Stattdessen bildet das Bakterium mikroskopisch kleine, lange Schnüre von mehreren hundert Zellen, die sich in Reih und Glied aneinanderlagern. Diese Zellketten bezeichnet man auch als Trichome und insgesamt erinnern sie an einen mikroskopisch kleinen Rosenkranz aus Zellen. Alle Zellen innerhalb einer solchen Kette teilen sich eine Außenhülle, ihre Zellwand und sind auch untereinander an ihren Kontaktstellen verknüpft. Durch die sogenannten Septum Junctions, die sich wie kleine Kanäle an der Kontaktstellen zweier Zellen ausbilden, können Moleküle wie Botenstoffe aber auch Nahrung untereinander ausgetauscht werden.

Diese Zellketten sind allerdings keine Spezialform von Nostoc commune, sondern ein typisches Organisationsprinzip einer ganzen Gruppe von Mikroorganismen: den Cyanobakterien. Nostoc commune gehört selbst zu dieser Gruppe, die in der Erdgeschichte eine so zentrale Rolle spielt, dass ich euch einen kleinen Exkurs an dieser Stelle nicht vorenthalten möchte. Denn ohne Cyanobakterien wäre die Erde vermutlich nicht zu dem geworden, was sie heute ist: ein Planet mit einer sauerstoffreichen Atmosphäre, die komplexes Leben überhaupt erst ermöglicht.

Der Name der Cyanobakterien verweist hier schon auf eine ihrer wichtigsten Eigenschaften. Cyano leitet sich hier vom griechischen kyanos ab, was blau bedeutet. Ihre blaugrüne Farbe, der sie auch ihren Namen verdanken, erhalten die Cyanobakterien durch ganz spezielle Pigmente. Diese Pigmente erlauben den Bakterien, die bereits seit ca. 3,5 Milliarden Jahren die Erde besiedeln, eine ganze besondere Ernährungsform. Cyanobakterien leben nämlich von Luft und Liebe… nein, moment… von Luft und Licht. Mithilfe ihrer spezialisierten Pigmente können die Cyanobakterien -  unter ihnen Nostoc commune -  Energie aus Sonnenlicht gewinnen. Im Prozess der Photosynthese nutzen sie das CO₂ aus der Atmosphäre und die Energie des Sonnenlichts, um Zucker zu erzeugen, von denen sie sich dann ernähren können. Ganz nebenher entsteht dabei noch Sauerstoff. Heute ist man in der Wissenschaft allgemein der Auffassung, dass der Sauerstoff in der Atmosphäre vor etwa 2,4 Milliarden Jahren im Great Oxidation Event durch die Aktivität der Cyanobakterien angereichert wurde. Und nicht nur dort hatten die Cyanobakterien einen großen Einfluss auf die Umwelt. Nach der Endosymbiontentheorie gehen die Chloroplasten, also die Organellen in Pflanzenzellen, die für die Photosynthese zuständig sind, auf ehemals freilebende Cyanobakterien zurück. Demnach sind diese Bakterien irgendwann von eukaryontischen Zellen aufgenommen worden und haben ihnen in einer symbiontischen Beziehung ihre Energiegewinnung zur Verfügung gestellt.

Diese evolutionäre Erfolgsstrategie ist wohl auch ein Grund dafür, warum es Nostoc commune heute so gut wie überall zu finden gibt. Auf allen Kontinenten dieser Erde, ob in trockenen Gebieten, auf sehr nährstoffarmen, mineralischen Oberflächen und in Mooren oder Teichen wurde das Bakterium schon beobachtet. Außer Luft, Licht, Wasser und ein paar Spurenelemente braucht es eigentlich nicht viel. Schon können sich die langen Zellschnüre ausbilden und zu tausenden zusammenlagern, um schließlich eine große Nostoc-Kolonie inklusive glibberiger Matrix zu bilden. Zum Überleben in kargen Umgebungen brauchen die Zellen allerdings nicht nur Kohlenstoff, sondern auch Stickstoff. Und auch den kann sich Nostoc commune einfach aus der Luft fischen. Dieser Prozess, der in der Fachsprache Stickstoff-Fixierung genannt wird, wird aber nicht in allen Nostoc-Zellen gleichermaßen ausgeführt. Tatsächlich kommen wir damit zu einem Punkt, der Nostoc commune noch ein bisschen interessanter macht: seine Fähigkeit zur Ausdifferenzierung verschiedener Zelltypen.

Innerhalb eines Trichoms, also einer dieser langen Zellketten, machen nicht alle Zellen von Nostoc dasselbe. Sie sehen nicht mal gleich aus. Das liegt daran, dass sich Nostoc commune in verschiedene Zelltypen differenzieren kann, die verschiedene Aufgaben übernehmen und auf verschiedene Stoffwechselwege spezialisiert sind. Sie unterscheiden sich nicht nur in ihrem Erscheinungsbild, sondern auch im Portfolio an Proteinen, darunter auch Enzymen, die sie herstellen und damit ihrer metabolischen Funktion. Die meisten der Zellen bleiben ihr Leben lang im vegetativen Status, also dem Standardzustand. Je nach Umweltbedingungen verändern sich jedoch einige der Zellen. So wird bei Stickstoffmangel häufig die Ausbildung sogenannter Heterocysten beobachtet. Einzelne Zellen im langen Filament beginnen also sich zu verändern und unterdrücken die sauerstoffbildenden Teile der Photosynthese, um sich auf die Stickstofffixierung zu spezialisieren. Die Aufteilung der Stickstoffproduktion und der Photosynthese auf verschiedene Zellen ist übrigens eine chemische Notwendigkeit. Die Nitrogenase, die für die Stickstofffixierung zuständig ist, funktioniert nur in Abwesenheit von Sauerstoff. Da Sauerstoff aber als Nebenprodukt der Photosynthese entsteht, können beide Prozesse nicht in denselben Zellen ablaufen. Die deshalb ausdifferenzierten Heterocysten teilen ihren fixierten Stickstoff mit den anderen Zellen im Filament und helfen so der Gemeinschaft zu überleben. Gleichzeit werden sie von den vegetativen Zellen mit aus der Photosynthese entstandenen Kohlenstoffquellen umsorgt. Innerhalb eines Filaments reichen nur wenige Heterocysten aus, um ausreichend Stickstoff zu fixieren. Um zu verhindern, dass sich zu viele der anderen Zellen ebenfalls zu Heterocysten entwickeln, stoßen sie während der Differenzierung ein kurzes Peptid aus, dass die Entwicklung unterdrückt. All diese Nährstoffe und Botenstoffe gelangen über kleine Verknüpfungen in die benachbarten Zellen und können sich dann im ganzen Filament ausbreiten. Damit zeigt Nostoc, dass es auch in vermeintlich einfachen Bakterien, die wir lange nur als isolierte Einzeller wahrgenommen haben, ein hohes Maß an interzellulärer Kommunikation und Multizellularität geben kann.

Neben der Heterocysten können sich auch die sogenannten Akineten als Zelltyp ausbilden. Bei den Akineten handelt es sich um eine besonders robuste Dauerform von Nostoc. Zellen werden vor allem dann zu Akineten, wenn die Nährstoffverfügbarkeit besonders gering wird. Dann sammeln sie in ihrem Inneren Kohlenstoff- und Stickstoffreserven an. Ihre Zellwand wird dicker und damit widerstandsfähiger, während die Akineten ihren Metabolismus auf minimale Aktivität zurückfahren. In dieser Form kann Nostoc dann auch die widrigsten Bedingungen für eine Weile überdauern. Die Akineten sind also die Notfallreserve wenn alle Stricke reißen und bilden eine Art mikrobiologischen Vorratskeller. Wenn sich dann die Nahrungssituation wieder verbessert, beginnen die Akineten zu keimen und aus ihnen entwickeln sich neue Nostoc-Filamente.

Zuletzt gibt es noch eine dritte Form der Ausdifferenzierung von Nostoc, die ebenfalls aller Rede wert ist. Die sogenannten Hormogonien sind nämlich die Abenteurer der filamentösen Cyanobakterien. Sollen neue Gebiete besiedelt werden entwickeln sich nämlich kürzere Ketten aus kleineren Zellen, die dann eben als Hormogonien bezeichnet werden. Sie können sich über mehrere Zentimeter fortbewegen und sich dann mit der Entwicklung neuer Heterocysten zu einer ganzen neuen Kolonie ausbilden. Wie genau die Zellen innerhalb der kurzen Filamente sich so abstimmen, dass sie alle gemeinsam in dieselbe Richtung schwimmen, ist auch heute noch nicht eindeutig geklärt.

Jetzt haben wir viel über die faszinierenden Fähigkeiten von Nostoc gehört, sich von Luft und Licht zu ernähren, CO₂ und Stickstoff zu fixieren und so langsam könnte man den Eindruck bekommen, dass es sich bei der großen Vielfalt an Zelltypen bei Nostoc commune um mehr als einen einzigen Mikroorganismus handelt. Die Fähigkeiten von Nostoc sind sogar so nützlich, dass manche Pflanzen im Laufe der Evolution regelrechte Wohnungen für diese Cyanobakterien gebaut haben.

Das Sumpf-Torfmoos Sphagnum palustre bspw. bildet Hyalocysten. Dabei handelt es sich um tote Zellen, die im Blattgewebe verbleiben und der Wasserspeicherung dienen. In diesen Hyalocysten kann sich nun auch Nostoc punctiforme einnisten. Dort fixiert es Stickstoff, von dem auch der Wirt profitieren kann. Gleichzeitig kann das Cyanobakterium seine Photosyntheseaktivität herunterfahren und stattdessen die von Sphagnum produzierten Kohlenstoffquellen nutzen. Ähnlich funktioniert auch die Zusammenarbeit zwischen Nostoc und Lebermoosen oder Hornmoosen der Gattungen Blasia und Anthoceros. Diese beiden Gattungen bilden bei Stickstoffmangel kleine Höhlen aus. Bei Lebermoosen nennen sich diese Kammern Aurikel, bei den Hornmoosen handelt es sich um Schleimhöhlen, in denen Nostoc-Bakterien gezielt angelockt werden können. Auch hier werden Stickstoffquellen gegen Kohlenstoffquellen und einen geschützten Lebensraum getauscht. Noch drastischer ist die Symbiose zwischen dem Wasserfarn Azolla und Nostocazollae. Wie man schon der Namensgebung entnehmen kann, handelt es sich hierbei um eine besonders enge Zusammenkunft. Nostoc azollae lebt in Hohlräumen auf der Blattoberseite der Farne und hat sich in dieser Nische so gut eingelebt, dass es ohne den Farn nicht mehr selbstständig überlebensfähig ist. Über die Jahre sind so viele Gene verloren gegangen, die das Bakterium eigentlich bräuchte, dass beide Lebensformen nun in einer obligaten Symbiose leben. Sie sind also für ihr Überleben unbedingt aufeinander angewiesen.

Wo wir jetzt schon bei verschiedenen Nostoc Arten sind. Eine ganz besondere Form nimmt die Spezies Nostoc pruniforme an. Ihr Name leitet sich vom lateinischen Begriff für „pflaumenförmig“ ab und das ist auch schon eine ganz gute Beschreibung. Nostoc pruniforme wächst nämlich in Gewässern wie Teichen oder Pfützen. In einer großen Hülle aus Polysacchariden sammelt sich eine Vielzahl von Zellfäden an und lässt die sogenannte „Teichpflaume“ teilweise zu einer Kugel von mehreren Zentimetern Größe anwachsen. Ein Fund aus Oregon in den USA konnte sich über 10 Jahre ungestört entwickeln und erreichte nicht nur die Größe eines Kinderhandballs sondern gleichzeitig auch ein Gewicht von 2,6 kg. Beobachtete man solche Teichpflaumen früher noch recht häufig, sind die Sichtungen heute eher rar geworden. Nostoc pruniforme reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen der Wasserqualität und wird somit häufig als Anzeiger für intakte Ökosysteme genutzt. Da aber in mehr und mehr Gewässern die gesunde Balance zu kippen droht, gibt es weniger und weniger Teichpflaumen zu finden.

Eine weitere interessante Spezies der Gattung Nostoc ist Nostoc flagelliforme. Diese auch als Haarmoos bezeichnete Art bildet spaghettiartige Fäden von bis zu einem halben Meter Länge. Wie dunkle Spaghettinester wächst das Bakterium eigentlich auf fast allen Kontinenten und ist nicht nur in den südamerikanischen Andenregionen sondern auch in vielen asiatischen Ländern eine absolute Delikatesse. Als Fat Choy oder Himmelsgemüse gehört Nostoc flagelliforme zu traditionellen, chinesischen Neujahrsessen. Heutzutage ist die wilde Ernte von Nostoc allerdings verboten und das Haarmoos wird mehr und mehr durch aus Stärke nachgebildete Alternativen ersetzt.

Bei einem so beeindruckenden Portfolio an Fertigkeiten, ist es kein Wunder, dass Nostoc-Arten auch in der Forschung und Biotechnologie eine wichtige Rolle spielen. Neben ihrer Anwendung als Biofertilisator wird auch untersucht, ob Nostoc in der Entwicklung von Biokraftstoffen genutzt werden kann. Ihre Nahrhaftigkeit und gleichzeitige Genügsamkeit im Bezug auf ihre Wachstumsbedingungen machen Nostoc commune auch zu einem vielversprechenden Kandidaten in der „Space Agriculture“, also in Überlegungen, welche Pflanzen und Nahrungsmittel im Weltall genutzt werden könnten, sollten wir beispielsweise jemals eine Marskolonie bauen. Hier auf der Erde ist Nostoc aber nicht weniger wichtig. Mit Nostoc als Modellsystem für multizelluläre Zusammenarbeit und interzelluläre Kommunikation arbeiten Forschende Tag für Tag daran, zu verstehen, wie genau sich die Zellen so fein aufeinander abstimmen, wie sie so resistent gegen Austrocknung werden und was die molekularen Mechanismen der beeindruckenden Kommunikationsfähigkeit sind. All das hat sicherlich auch dazu beigetragen, dass diese Mikrobe im Jahr 2014 durch die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie zur allerersten Mikrobe des Jahres gekürt wurde.

Mit Nostoc commune haben wir also heute einen wahren Überlebenskünstler kennen gelernt, der durch seine multizelluläre Form mit bloßem Auge erkennbar wird. So hat diese Mikrobe über die vergangenen Jahrhunderte so einige Spitznamen angesammelt und bietet uns einen faszinierenden Einblick in die Evolution der Pflanzen, die Entstehung einer sauerstoffhaltigen Erdatmosphäre und die Tiefen der mikrobiellen Vielfalt. Was über Jahrhunderte als Sternenrotz oder Hexenspei verspottet wurde, entpuppt sich bei genauerem Hinsehen als hochorganisierter Verbund aus Milliarden miteinander kooperierenden Zellen und als Paradebeispiel für die komplexen Systeme, die auf dem Planeten Erde über Jahrmillionen entstehen konnten.

Links & weitere Infos

Allgemeines und Pressemitteilung der VAAM

Mikrobe des Jahres 2014 / VAAM - Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie e.V.

Dersch, P. et al. (2022)Allgemeine Mikrobiologie. 11., vollständig überarbeitete Auflage. Edited by G. Fuchs, M. Bramkamp, and H.G. Schlegel. Stuttgart New York: Georg Thieme Verlag (Thieme eRef).

Engelhardt, H. (2014), BIOspektrum, 20(2), pp. 234–235.

Potts, M. (1997) , International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 47(2), pp. 584–584.

Ausdifferenzierung verschiedener Zelltypen

Flores, E. and Herrero, A. (2010), Nature Reviews Microbiology, 8(1), pp. 39–50.

Symbiose mit Pflanzen

Álvarez, C. et al. (2023), Journal of Experimental Botany, 74(19), pp. 6145–6157.

Biotechnologie und Zukunftsaussichten

Onyeaka, H. et al. (2025), Sustainable Microbiology, 2(4), p. qvaf025.

Kimura, Y. et al. (2016), Eco-Engineering, 28(2), pp. 43–51.