Im dicken schwarzen Dreck unter einer Bucht auf den Philippinen lebt eine Kreatur von der Größe eines Baseballschlägers, eingehüllt in eine harte weiße Schale. Hunderte von Jahren lang entging es irgendwie der formalen Beschreibung und Dissektion. Sein Name ist der riesige Schiffswurm, und Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten und den Philippinen haben endlich einen lebenden geöffnet.
Es war kein appetitlicher Anblick.
Obwohl die leeren Schalen riesiger Schiffswürmer seit langem üblich sind, blieb den Wissenschaftlern genau die Herkunft dieser Schalen ein großes Rätsel (trotz ihres Namens waren es keine Schiffe). Die kritische Einsicht kam, als einer der Projektwissenschaftler eine Dokumentation im philippinischen Fernsehen entdeckte, in der die Muscheln „wie Karotten“ in das Bett einer lokalen flachen Bucht gepflanzt wurden. Mit diesem Hinweis in der Hand konnten die Wissenschaftler endlich ihren Steinbruch einsacken.
Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse aus ihrer Studie des Wurms in PNAS Early Edition in dieser Woche, und sie werfen viel Licht auf ein Tier, das so selten ist, dass seine Biologie, Lebensraum, Anatomie und sogar Ernährung weitgehend ein Rätsel waren. Die Antworten auf diese Fragen unterstützen eine größere Idee, die vor fast 20 Jahren von einem der Autoren der Studie vorgeschlagen wurde: die Holzstufen-Hypothese.
Mit einem Namen wie Riesenschiffswurm (Kuphus polythalamia) würden Sie nicht erwarten, dass diese Kreatur in Schiffen lebt. Obwohl, wie wir gesehen haben, der riesige Schiffswurm Schiffe meidet, weil sie untergetauchtes verrottendes Holz und Schlamm enthalten, Der Rest der Schiffswürmer lebt in Schiffen. Aber alle Schiffswürmer, der Riese eingeschlossen, sind eigentlich keine Würmer. Sie sind Muscheln, die sich entwickelt haben, um wie Würmer auszusehen.
Muscheln sind die klappbaren Muscheln am Fischbuffet – Austern, Muscheln, Jakobsmuscheln, Herzmuscheln und Muscheln. Irgendwo entlang der Linie entschied sich eine Standard-Muschel, in eine andere kreative Richtung als ihre Filter-Fütterung zu gehen und eine neue Nahrungsquelle ins Visier zu nehmen: versunkenes Holz.
Solange es Bäume gab, gab es Bäume, die im Ozean landeten. Dort lagen sie, appetitlich nah, aber frustrierend außerhalb der gastronomischen Reichweite aufgrund ihres Gehalts an Polymeren wie Cellulose und Lignin. Diese Chemikalien – die Holz versteifen – haben hungrigen Landlebewesen auch einen Lauf um ihr Geld gegeben. Sie sind bekanntermaßen für alle außer einigen Pilzen und Bakterien unverdaulich. Tiere, die Holz essen wollen, müssen Mikroben beherbergen, die die harten Fasern verdauen können, wie Termiten und Biber.
Schiffswürmer lösten das Problem letztendlich auf die gleiche Weise: sie erlaubten symbiotischen Bakterien, die Holz verdauen können, sich in speziellen Zellen in ihren Kiemen niederzulassen. Beim Bohren in Holz, um es zu verzehren, entwickelte sich eine Klappschale mit Schalentieren zu einer röhrenförmigen Schale mit einem Wurm.
Alle waren mit diesem System zufrieden, bis einige haarlose Affen die Cockamamie-Idee hatten, ihre Hochseeschiffe aus Holz zu bauen, woraufhin die Schiffswürmer zum Entsetzen der Affen prompt herunterfielen. Dieses Problem wurde erst gelöst, als die Royal Navy im 18.Jahrhundert begann, die Rümpfe ihrer Boote mit Kupfer zu ummanteln, was den zusätzlichen Vorteil hatte, lästige Algen zu entmutigen.
In jedem Fall geht es in diesem Blogbeitrag nicht um diese Schiffswürmer, sondern um ihren eigensinnigen Verwandten, den riesigen Schiffswurm, der sich aufgrund kreativer Unterschiede erneut mit dem Rest der Schiffswürmer trennte. Ihre neue Richtung wurde von einigen in der Nähe lebenden Bakterien inspiriert.
Während Schiffswürmer damit beschäftigt waren, all das schöne Holz zu verdauen, waren auch die frei lebenden Bakterien um sie herum beschäftigt. Einige von ihnen atmeten bei der Verdauung von Holz in sauerstofffreien Umgebungen stattdessen das chemische Sulfat, einen Bestandteil des Meerwassers. Das Gas, das sie ausatmeten, war Schwefelwasserstoff, die stinkende Chemikalie, die Menschen mit faulen Eiern verbinden. Wie sich herausstellt, kann Schwefelwasserstoff ähnlich wie Sonnenlicht von einer anderen Gruppe von Bakterien (den Thioautotrophen) verwendet werden. Sie können die im Schwefelwasserstoff enthaltene Kraft nutzen, um Kohlendioxid in Zucker umzuwandeln. Mit anderen Worten, sie können ihre eigene Nahrung herstellen, genau wie Pflanzen.
Irgendwann drangen diese thioautotrophen Bakterien in die Kiemen eines in der Nähe lebenden Schiffswurms ein. Die Wissenschaftler konnten feststellen, dass dies der Fall ist, weil sie riesige Schiffswurmkiemen unter das Mikroskop stellten. In den Kiemen fanden sie Bakterien, die Schwefelkügelchen und Organellen namens Carboxysomen enthalten, in denen Kohlendioxid in Zucker umgewandelt werden kann. Beide Strukturen sind bei thioautotorphen Bakterien üblich.
Als sie die aus den Kiemen isolierte bakterielle DNA sequenzierten, ähnelte sie stark der anderer thioautotropher Bakterien, die in Meeresmikroben und hydrothermalen Meeresschnecken und -schnecken lebten. Die Sequenz enthielt alle Gene, die zur Herstellung von Zucker aus Schwefelwasserstoff erforderlich sind.
Schließlich konnten sie diese Bakterien in Reinkultur isolieren, um thioautotrophe Bakterien zu züchten. Die Bakterien in dieser Gruppe sind nicht eng mit den holzverdauenden Bakterien verwandt, die andere Schiffswürmer beherbergen. Diese ehemals dominanten Bakterien waren jedoch auch in den Kiemen der riesigen Schiffswürmer vorhanden, obwohl die Beweise darauf hindeuten, dass sie selten sind – und sehr selten.
Als riesige Schiffswürmer ihren Einkommensstrom vom Verzehr von Holz auf die Unterbringung von sich selbst antreibenden Bakterien verlagerten, verkümmerten ihr Blinddarm, in dem Holzbisse gelagert werden; die Organe, in denen Schiffswürmer Nahrung verdauen; und die Muskeln, mit denen sie Holz bohren. Nur Spuren von Fäkalien wurden im Darm der Proben gefunden, die diese Wissenschaftler verdauten, was darauf hindeutet, dass diese Würmer nicht nur nicht essen müssen (weil ihre hauseigenen Bakterien das ganze Kochen machen), sondern auch wenig kacken müssen.
Riesige Schiffswürmer haben einen Mund, aber sie haben diese Brücke verbrannt. Sie haben ihren Mund mit ihrer Schale zugemauert und resorbieren ihn nur periodisch, um ihre Röhren zu verlängern. Anstelle all dieser geschrumpften Organe hat sich die Bakterien beherbergende Kieme entwickelt, um fast den gesamten Wurm aufzunehmen. Basierend auf diesen Beweisen ist es unwahrscheinlich, dass der Verzehr von Holz, Sedimenten oder das Filtern von Wasser für Lebensmittel es diesen Würmern ermöglicht, Riesen zu werden, folgern die Autoren. Stattdessen wachsen die Würmer fett und glücklich mit dem Erlös ihrer neuen bakteriellen Markenpartner zu Riesen heran, die üblicherweise drei Fuß erreichen und fünf erreichen können.
Interessanterweise ist es bei Muscheln zwar ungewöhnlich, ein Wurm zu werden, bei thioautotrophen symbiotischen Bakterien jedoch nicht. Fünf andere Muschelfamilien tun dies, also hatten die Würmer vielleicht einige Voranpassungen, die diesen besonderen Karrierewechsel erleichterten.
Die Wissenschaftler argumentieren auch, dass die Schiffswurmbiologie eine alte Idee des Hauptautors Daniel Distel stützt: die „Holzstufen“ -Hypothese. Diese Idee besagt, dass sich die großen thioautotrophen Muscheln, die in der Nähe von hydrothermalen Tiefseeschlössern leben, aus kleineren Muscheln entwickelt haben, die auf versunkenem Holz lebten. Diese Ahnenmuscheln verwendeten Schwefelwasserstoff, der von den Bakterien produziert wurde, die Holz zersetzen, aber Entlüftungsflüssigkeit war ein einfacher Ersatz. Heute leben viele Muscheln und mehrere Röhrenwürmer gleichermaßen gut in hydrothermalen Quellen, kalten Sickern (Orte, an denen Schwefelwasserstoff, Methan und andere Kohlenwasserstoffe aus dem Meeresboden sickern) und in versunkenem Holz. Holz ist somit ein Sprungbrett, das thioautotrophe Tiere in hydrothermale Schlote einführen und ihnen dann helfen kann, sich zwischen den Schloten auszubreiten, indem es versunkenes Holz wie Tiefsee-Polynesier hüpft.
Nun sieht es so aus, als hätte der riesige Schiffswurm auch einen Zwischenstopp in Holz eingelegt, bevor er sein endgültiges Ziel in den stinkenden Sedimenten der Philippinen erreichte. Ist es möglich, dass die Muscheln und die Röhrenwürmer auch Holz fraßen und erst später über die kulinarischen Köstlichkeiten von Schwefelwasserstoff stolperten? Wenn ja, war Holz – eine Substanz, die nur im glitzernden Reich der Sonne produziert wurde – nicht nur ein Sprungbrett zwischen Lebensräumen im tiefsten dunkelsten Ozean, sondern auch zwischen ganzen Lebensweisen.
Referenz
Daniel L. Distel, Marvin A. Al;tamia, Zhenjian Lin, J. Reuben Shipway, Andrew Han, Imeleda Forteza, Rowena Antemano, Ma. Produziert von Gwen J. Penaflor Limbaco, Alison G. Tebo, Rande Dechavez, Julie Albano, Gary Rosenberg, Gisela Concepcion, Eric Schmidt und Margo G. Haygood. „Entdeckung der chemoautotrophen Symbiose im Riesenschiffswurm Kuphus polythalamia (Bivalvia: Teredinidae) erweitert die Theorie der Holzstufen.“ PNAS Frühe Ausgabe. Veröffentlicht online vor dem Druck April 17, 2017, doi: 10.1073 / pnas.1620470114