Die komplizierte Geschichte des Großen Sterbens

by Lars Fischer in Fischblog

Die rätselhaftesten Episoden in der Geschichte des Lebens sind die Massensterben, die den Planeten in regelmäßigen Abständen heimgesucht haben. Das größte derartige Ereignis fand vor 251 Millionen Jahren statt, und seine Ausmaße waren kataklysmisch: Über 90 Prozent allen Meereslebens starb aus und mit ihm ein kaum geringerer Anteil aller Lebewesen an Land.

Paläontologen nennen diese Episode das Große Sterben. Doch es gibt keine geologisch einzigartige Katastrophe, die diesen globalen Untergang zu jener Zeit schlüssig erklären könnte - die fossilen Hinterlassenschaften zeigen eine erstaunlich komplexe ökologische Krise am Übergang vom Perm zur Trias. Mit Hilfe der geologischen Spuren können wir nun ein ungefähres Bild dessen zeichnen, was damals auf der Erde geschah.


Wir wissen zum Beispiel, dass sich die Chemie der Ozeane drastisch verändert haben muss - wie sonst könnten die Lebensgemeinschaften in einem so diversen Lebensraum so gründlich ausgelöscht worden sein? Und vor allem, warum hat es geschlagene fünf Millionen Jahre gedauert, bis sich im Meer wieder etwas gerührt hat?




Grenze zwischen permischen und trisaaischen Gesteinen in der Bletterbachschlucht. Quelle: Bosellini 1998 via Uni Bremen


2011 ist das Jahr, in dem wir schließlich einige Antworten bekommen, zuerst einmal aus den Sedimenten aus jener Zeit, die unter anderem in den Alpen und Südchina aufgeschlossen sind. In der Ära der Krise waren große Teile der Weltmeere praktisch frei von Sauerstoff, vergleichbar den Todeszonen, die in modernen Küstengewässern zeitweilig durch Überdüngung entstehen. Die chinesischen Gesteine zeigen, dass die Ursache zur Zeit des Massensterbens eine sehr ähnliche war, denn die biologische Produktivität der Meere war eben nicht reduziert.

Ozeane: Tot aber produktiv

Die Überreste des Mereresbodens aus der Zeit der Permischen Katastrophe zeigen nämlich eine sehr charakteristische Signatur, sie enthalten deutlich mehr Kohlenstoff-12 im Vergleich zu Kohlenstoff-13 als moderne Sedimente. Und es gibt vor allem einen bedeutenden Prozess, der das erreichen kann: Leben. Bei der Photosynthese bauen grüne Pflanzen Kohlendioxid in organische Materie um, und zwar solchen mit leichtem Kohlenstoff schneller als solchen mit schwerem. Deswegen enthält biologisches Material immer einen deutlichen Überschuss an leichtem Kohlenstoff[1].


Das Bild, dass die fossilen Überreste für die Meere des Massensterbens zeichnen ist auf den ersten Blick ein wenig paradox: Wir haben einen Weltozean, der weitgehend frei von Sauerstoff und entsprechend biologisch tot ist, dessen Produktivität die modernen Ozeane jedoch bei weitem übertraf. Statt also auf breiter Front zu veröden, wie sich das für ein anständiges Massensterben gehört, hat die biologische Aktivität im Meer in den fünf Millionen Jahren nach dem Untergang enorm zugenommen - aber wiederum ohne dass man eine Rückkehr klassischer mariner Ökosysteme sehen könnte.


Auch an Land spielte sich Dramatisches ab: Die Koniferenwälder des Perm und ihre Synapsiden verschwanden, dafür übernahmen nach einer kurzen Unterbrechung Farne und die Vorfahren der Dinosaurier die Regie. Es gab aber keinen globalen Feuerbrand, der da allem, was da kreucht und fleucht aufs Haupt gefallen wäre. Tot sind sie trotzdem.


Pilz-Apokalypse in den Koniferenwäldern

Nun gehört es zu den goldenen Regeln der Fossilkunde, dass Dinge an Land nur äußerst selten versteinern, man braucht dazu Wasser, in dem sich Schicht um Schicht Schlick ablagern kann. Zum Glück landet bekanntlich alles, was so von der Plastiktüte bis zum Castor-Behälter an Land rumliegt, früher oder später im Meer. Das war auch vor 250 Millionen Jahren nicht anders, nur dass es damals noch keine Plastiktüten waren, sondern seltsame fadenartige Strukturen, die sich weltweit in diesen Gesteinen erhalten haben, unter anderem in den Alpen. Man nennt diese Strukturen Reduviasporoniten, sie sind fädige, verzweigte Strukturen, offensichtlich aus Zellen aufgebaut. Melanin färbt sie dunkel, und sie kommen in Gesteinen am Übergang vom Perm zur Trias erstaunlich häufig vor, sie machen teilweise bis zu 90 Prozent der Biomasse aus.




Reduviasporoniten. Quelle: Image courtesy of Imperial College London


Was diese Dinger genau sind weiß niemand. Es können Algen oder Pilze gewesen sein, aber ihre schiere Masse zeigt, dass an der Grenze zwischen Perm und Trias etwas sehr seltsames passiert ist. Meine Lieblingshypothese stammt aus einem neueren Geology-Paper, dessen Autoren feststellen, dass die Mikrofossilien in einigen Punkten den modernen Rhizoctonien ähneln. Die sehen den Fossilien ziemlich ähnlich, bis hin zur Gestalt der Zellen, und sie bilden spezifische Sklerotien, eine Dauerform zum Überstehen widriger Umstände, die man fast genau so auch zwischen den Fossilien entdeckt.

Das Interessante daran ist, dass Rhizoctonien bekannte Pflanzenpathogene sind, und zwar oft ziemlich aggressive. Es gibt eine direkte Beziehung zwischen der Anzahl-Rhizoctonia-Sklerotien in einem Boden und der lokalen Prävalenz von Pflanzenkrankheiten. Aus diesen Indizien zeichnen die beteiligten Forscher das Bild einer wahren Pilzapokalypse, die Koniferen des späten Perm hereingebrochen ist.


Man muss sich das wahrscheinlich nicht so vorstellen, dass die Pilze plötzlich aus einer dunklen Höhle hervorgebrochen sind und alle Bäume vernichtet haben. Es ist viel plausibler, dass sie auch vorher schon da waren. Auch heute leben ähnliche Arten mit und an gesunden Bäumen, deren Immunsystem sie in Schach hält wie unsere eigene Bakterienflora, zu der auch unter normalen Umständen so unerfreuliche Vertreter wie Staphylococcus Aureus gehören. Sie warten. Und das, worauf sie gewartet haben, ist vor 250 Millionen Jahren dann passiert, weltweit und in ganz großem Stil.




Lavastrom der Sibirischen Trapps. Quelle: Nature


Natürlich haben Wissenschaftler längst den wahrscheinlichen Auslöser dieses ökologischen Weltkollaps auf dem Schirm. Die Ursache war, da zeichnet sich ein Konsens ab, ein gigantischer Vulkanausbruch, der über eine Million Jahre hinweg Lava über das heutige Zentralsibirien ergoss. Vulkane stoßen aber, und das ist der entscheidende Punkt, auch Gase aus, und derart extreme Mengen, wie sie bei der Entstehung solcher Trapps freiwerden, verändern die Atmosphäre nachhaltig und letal. Bis heute bedecken dort mehrere hundert Meter dicke Lavaströme ein Gebiet so groß wie Europa, aber zur Zeit ihrer Entstehung dürften die Sibirischen Trapps, wie die Überreste der Eruptionsmassen heute genannt werden, mehr als die vierfache Fläche überdeckt haben.

Der Täter: Ein Vulkan wie kein anderer

Das ist schon ziemlich beeindruckend, aber in der Erdgeschichte bei weitem nicht einzigartig. Weltweit sind über ein Dutzend dieser Lavaprovinzen bekannt, sie liegen in Indien, dem Ostpazifik, Afrika und anderswo. Viele dieser Mega-Vulkanausbrüche treffen zeitlich mit globalen Massensterben zusammen, das Ausmaß der Apokalypse ist im Fall der Sibirischen Trapps allerdings einzigartig.


Einzigartig ist auch der Ablauf der Ereignisse, denn es hat sich erwiesen, dass es keineswegs der eigentliche Lavaschub war, der das Unglück über die Welt gebracht hat. Das große Sterben war kein Einzelereignis, sondern eine Abfolge von mindestens drei kleineren Massenaussterben, von denen nur das letzte mit den Flutbasalten zusammenfiel. Die anderen beiden fanden - zumindest nach einigen Analysen - 10 und 20 Millionen Jahre früher statt.


Für so einen Mantelhotspot sind ein paar Millionen Jahre natürlich keine allzu lange Zeitspanne, schließlich gibt es den Jan-Mayen-Hotspot, der das Massensterben ausgelöst hat, bis heute. Wieso allerdings das Massen... Read more »

Wo sind die radioaktiven Stoffe aus Fukushima gelandet?

by Lars Fischer in Fischblog

Beim Reaktorunglück von Fukushima sind beträchtliche Mengen radioaktives Material in Form von Staub und Dampf die Atmosphäre gelangt - doch wo sind sie gelandet? Radioaktiver Staub, Gase und Aerosole driften mit dem Wind, lagern sich mit der Zeit ab oder werden vom Regen ausgewaschen. Prinzipiell kann man berechnen wie die Luftströmungen und das Wetter während des Unglücks den Fallout verteilt haben, indem man ein kleinräumiges Klimamodell mit dem Ausstoß radioaktiver Stoffe füttert.


Deswegen haben japanische Forscher nach dem Unglück ein Transportmodell entworfen, das die betroffene Landfläche samt Tokio komplett erfasst und beschreibt, wie sich die gesundheitlich bedeutendsten Radionuklide - Cäsium-137 und Jod-131 - nach dem Unglück verteilt haben. Demnach sind 13 Prozent des insgesamt ausgestoßenen Iods und 22 Prozent des Cäsiums in Japan auf dem Land niedergegangen, davon je etwa zwei Drittel in der Präfektur Fukushima. Weitere 10-20 Prozent landeten im Pazifik, etwa 60 Prozent verließen den Simulationsbereich, überwiegend Richtung Osten.





Zerstörter Reaktor in Fukushima


Solche Modelle, die berechnen, was die Atmosphäre mit bestimmten Stoffen macht, gibt es natürlich schon länger. Diese dreidimensionalen chemischen Transportmodelle basieren auf gängigen Klimamodellen, allerdings liegt der Fokus auf der Interaktion der gewünschten Stoffe mit Luftströmungen und Wasserdampf. Dafür braucht man nicht nur klassische Wetterparameter wie Druck, Verdunstung und Niederschläge, sondern auch Daten darüber, wie sich die untersuchten Spezies bei den jeweiligen Prozessen verhalten. Das betrifft horizontalen und vertikalen Transport durch Diffusion und mit dem Wind, Ablagerung mit und ohne Niederschläge und natürlich den radioaktiven Zerfall, der die Konzentration der Isotope mit der Zeit reduziert.

Der Vorgänger - SPEEDI
Glücklicherweise, wenn man so will, gibt es für Iod und Cäsium entsprechende Daten reichlich aus den Untersuchungen der Tschernobyl-Folgen. Ende der 80er Jahre entstanden diverse numerische Simulationen, dank denen man heute recht gut darüber Bescheid weiß, wie die wichtigsten Radionuklide in der Atmosphäre verschleppt werden und wo sie dann landen.


Die japanische Atomenergiebehörde hat 2008 auf Basis dieser Daten das System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information (SPEEDI) bereitgestellt, das die Verbreitung dieser Radioisotope nach einem Unfall in einem japanischen Kernkraftwerk simuliert. Dank SPEEDI wusste man relativ bald nach dem Fukushima-Unfall (bzw nachdem Tepco zugegeben hat, dass tatsächlich Iod und Cäsium austreten), wo die radioaktiven Stoffe landen würden. Ihr erinnert euch sicher an die Meldungen, dass die Strahlung aufs Meer getrieben würde oder ein Wetterumschwung Tokio bedrohte - das waren alles SPEEDI-Daten.


Das Problem mit SPEEDI ist, dass der Simulationsbereich maximal 100 mal 100 Kilometer groß ist, und damit im konkreten Fall von Fukushima wichtige Bereiche gar nicht abdeckt, unter anderem den Großraum Tokio. Wir wissen aber nun, dass Radionuklide aus Fukushima mehrere hundert Kilometer von der Quelle entfernt aufgetaucht sind und auch in Tokio selbst die Radioaktivität von Cäsium und Iod die Grenzwerte überschritten hat - entsprechend stellen die Radionuklide von Fukushima weit über den Gültigkeitsbereich von SPEEDI hinaus eine potentielle Gesundheitsgefahr für die Bewohner Nordjapans dar.


Dem trägt das Modell von Ohara und Kollegen Rechnung, es hat insgesamt eine Kantenlänge von 700 Kilometern und erfasst damit auch den Großraum Tokio. Die Region um das Atomkraftwerk hat natürlich die volle Breitseite abgekriegt, insgesamt sind bis zum 29. März auf beträchtliche Teile der Präfektur Fukushima mehr als 500.000 Becquerel Iod-131 pro Quadratmeter niedergegangen, dazu mehr als 50.000 Becquerel Cäsium-137. Die Messstationen in der Regionen registrierten nach dem 31. März in der gesamten Region weniger als 1000 Becquerel pro Tag und Quadratmeter.



Kumulativer Fallout von 131I und 137Cs bis zum 29. März 2011. Quelle: Ohara et al.


Tokio dagegen ist, das zeigen die Karten, im Vergleich dazu noch einigermaßen glimpflich davongekommen - hauptsächlich weil der Wind meist günstig stand. Ein paar Tausend Becquerel pro Quadratmeter liegen da trotzdem noch rum - als Äquivalentdosis betrachtet ist das zwar einigermaßen harmlos, aber das Cäsium kann eben auch in Nahrung und Wasser gelangen oder als Staub eingeatmet werden. Wenn die Radioisotope erst einmal im Körper sind, ist ihr Schadpotential um ein vielfaches höher, siehe auch das Thema Iod und Schilddrüsenkrebs, und die Studie sagt naturgemäß nicht, ob und wie sie dort hin gelangen. Es ist aber sicher nicht abwegig anzunehmen, dass mehr Cäsium in einer Region auch mehr Radionuklide im Trinkwasser und in der Nahrung bedeuten.


Große Ungenauigkeiten
Je nach vorherrschender Wetterlage landeten mal mehr, mal weniger Radioisotope auf dem japanischen Festland - auflandiger Wind um den 15. und den 21. März sorgte an jenen Tagen laut Modell für einen beträchtlichen Teil des gesamten Fallouts. Diese Unwägbarkeiten sind natürlich auch für die beträchtlichen Ungenauigkeiten in den Modelldaten verantwortlich - schon eine oder zwei Stunden Unterschied beim Ausstoß des radioaktiven Materials können den Unterschied zwischen Ost und West bedeuten, wenn der Wind in jener Zeit dreht.


Das Iod hat eine Halbwertzeit von 8 Tagen, deswegen ist davon, wenn ich mich nicht verrechnet habe, nur noch ein Zweihundertsechzigtausendstel der Aktivität von Ende März vorhanden. Deswegen würde ich mir um das Cäsium mehr Sorgen machen, weil das Zeug eine Halbwertzeit von 30 Jahren hat und deswegen noch mehr oder weniger komplett vor Ort ist - plus das, was später noch dazu gekommen ist, versteht sich.


Wenn man von einer Cs-Aktivität von 50.000 Bq ausgeht, dann ist das (wenn ich mich nicht verrechnet habe) eine Äquivalentdosis von 0,65 Millisievert, die zum natürlichen Hintergrund hinzukommt. Das entspricht etwa der natürlichen Hintergrundstrahlung in Hamburg. Allerdings entsprechen diese 50.000 Bq dem oberen Rand der Skala in der Abbildung, man kann also getrost davon ausgehen, dass die Werte in Fukushima beträchtlich darüber liegen. Der Gradient am Rand der "roten Zone" in der Abbildung spricht Bände.



Radionuklid-Konzentrationen an verschiedenen Messpunkten in Japan, berechnete Konzentration gegen gemessene Konzentration. Die Diagonale Gerade entspricht exakter Übereinstimmung. Quelle: Ohara et al.


Die Forscher haben ihr Modell natürlich mit den tatsächlich gemessenen Ablagerungen an den Messstationen abgeglichen, um zu sehen, ob es die tatsächlichen Daten brauchbar reproduziert. Der große Vorteil der Simulation ist, dass sie die erwartete Radioaktivität auf großen Flächen zeigt statt nur einzelner lokaler Werte, die die fest installierten Stationen liefern. DemVernehmen nach liefert die Simulation für die Orte dieser Stationen Werte, die im Rahmen etwa einer Größenordnung mit den tatsächlich gemessenen Zahlen übereinstimmen.


Das klingt natürlich nach einer ganzen Menge, aber es lässt sich kaum vermeiden, dass diese Modelle mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind. Man weiß zu wenig über den zeitlichen Ablauf beim Austritt der Radionuklide und über die Größe der Teilchen in der Dampf- und Rauchwolke, entsprechend ungenau sind die dem Modell zugrunde liegenden Annahmen. Auch über chemische Reaktionen dieser Elemente - vor allem des überwiegend gasförmigen Iods - mit anderen Bestandteilen der Atmosphäre wenig bekannt ist, ebenso über Prozesse an und mit Aerosolen. Damit vernachlässigen diese Modelle die komplette Atmosphärenchemie, was natürlich die Aussagekraft dieser Modelle erheblich schmälert.

(via Ex-SKF)
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Fördern minimale Antibiotika-Rückstände in der Umwelt Resistenzen?

by Lars Fischer in Fischblog

Es ist unvermeidlich, dass man bei einer Antibiotika-Therapie einen Teil der eingenommenen Substanz unverändert wieder ausscheidet. Man geht eigentlich davon aus, dass diese Stoffe im Abwasser zu stark verdünnt werden, um in der Umwelt resistente Bakterienpopulationen heranzuzüchten. So ganz sicher können wir uns dessen aber nicht sein, im Gegenteil. In den letzten Jahren verdichteten sich die Hinweise, dass schon sehr geringe Mengen dieser Stoffe einen Effekt auf die Mikrobenflora verschiedener Ökosysteme haben.



In Deutschland ist das Problem seit Anfang der 90er Jahre bekannt, als man erstmals Antibiotikarückstände in Oberflächengewässern fand. Die wichtigste Quelle für diese Verunreinigungen sind kommunale Abwässer, die zwischen einigen Dutzend Nanogramm und einigen Mikrogramm Antibiotika pro Liter enthalten können. Die Werte schwanken sehr stark, einerseits wegen der eingesetzten Mengen, andererseits aber auch wegen der chemischen Eigenschaften der verschiedenen Verbindungen: Während die klassischen Beta-Lactame chemisch zu instabil sind, um lange im Wasserkreislauf zu überleben, fanden Hirsch et al. 1999 sechs Mikrogramm Erythromycin in deutschem Abwasser.



Diese Werte liegen größenordnungsmäßig etwa das Hundert- bis Hunderttausendfache unter den experimentell bestimmten Minimalen Hemmkonzentrationen, bei denen die Antibiotika das Wachstum von Bakterien in Kultur sichtbar behindern. Die Konzentrationen in Oberflächengewässern sind noch mal ein ganzes Stück niedriger, viel zu gering um Bakterien zu töten.


Resistenz ist Ballast - aber wie sehr?
In natürlichen Populationen existieren immer ein paar resistente Bakterien innerhalb der gesamten Population, deswegen sind Antibiotika in der Umwelt grundsätzlich ein Problem. Allerdings ist ein Resistenzgen in fast allen Fällen erst einmal nur Ballast für den Organismus, so dass der Schutzeffekt diese Kosten aufwiegen muss. Bisherige pharmakodynamische Modelle gehen davon aus, dass Resistenzgene bei Antibiotika-Konzentrationen unterhalb der Minimalen Hemmkonzentration ihre Kosten nicht wieder einspielen und sich deswegen nicht in Populationen ausbreiten.


Das Problem dabei ist, dass die Minimale Hemmkonzentration ein extrem grobes Instrument ist, um Effekte auf Bakterien zu bestimmen. Man ermittelt diesen Wert, indem man Mikroben über Nacht bei verschiedenen Antibiotika-Konzentrationen wachsen lässt und anschließend guckt ob überhaupt etwas gewachsen ist. Die Situation in freier Wildbahn ist jedoch eine völlig andere. Bakterienpopulationen enthalten zahllose Individuen mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung, die alle nebeneinander wachsen, sich vermehren und um Ressourcen konkurrieren.


Sobald ein Merkmal auch nur einen geringfügigen Vorteil gegenüber anderen Stämmen bietet, werden seine Träger etwas schneller wachsen, sich schneller wieder teilen und langfristig - das heißt über hunderte oder tausende Generationen - einen beträchtlichen Teil aller Individuen ausmachen. Das ist das eigentliche Problem bei den verschwindend geringen Antibiotika-Mengen in der Umwelt: Wir wissen nicht wirklich, ob sie eben nicht doch einen kleinen Effekt auf Bakterien haben, der womöglich groß genug ist, um das Gleichgewicht zwischen resistenten und nicht-resistenten Stämmen merklich zu verschieben.


Unterschätzter Selektionsdruck
Dafür wissen wir inzwischen, dass die Hypothese mit der Minimalen Hemmkonzentration schlicht nicht haltbar ist. Im März dieses Jahres haben Forscher einen einfachen Farbtest vorgestellt, der anzeigt, ob unter bestimmten Bedingungen resistente Bakterien schneller wachsen als nicht-resistente. Praktischerweise haben sie gleich den Nachweis mitgeliefert, dass das tatsächlich bei einigen Antibiotika noch bei Bruchteilen der Minimalen Hemmkonzentration der Fall ist. Bei Ciprofloxacin noch bei einem Fünfundsiebzigstel. Bis zu welchen Konzentrationen diese Effekte anhalten, wird derzeit erforscht.


Gerade haben schwedische Mikrobiologen eine Veröffentlichung in PLoS Pathogens publiziert, die das ganze mal anhand von Salmonella enterica var. typhimurium durchexerziert. Die erste, inzwischen wenig überraschende Erkenntnis ist, dass Konzentrationen deutlich unterhalb der Minimalen Hemmkonzentration das Wachstum nicht-resistenter Bakterien deutlich bremsen, bei Tetrazyklin reduziert schon ein Dreißigstel der Konzentration die exponentielle Vermehrung um 15 Prozent. Das ist eine extrem drastische Reduktion der Fitness, die im klassischen Test nicht auffällt, aber in freier Wildbahn erhebliche Konsequenzen hat.





Konkurrenztest mit verschiedenen Tetracyclin-Konzentrationen. Die ansteigenden Geraden zeigen einen wachstenden Anteil resistenter Bakterien an. Quelle: Gullberg E, et al. PLoS Pathogens, 10.1371/journal.ppat.


1002158, 2011


Wesentlich interessanter sind allerdings die direkten Konkurrenztests, die die Forscher durchgeführt haben. Man setzt einfach fluoreszenzmarkierte Bakterien eines resistenten und eines nicht-resistenten Stammes und eine Kulturschale und lässt sie unter Einfluss eines Antibiotikums gegeneinander wachsen. Mit einem automatischen Zählgerät haben die Forscher dann direkt ausgezählt, welcher der beiden Stämme im Verlauf der Zeit erfolgreicher war.
Das kommt der realen Situation schon bedeutend näher, und auf diese Weise haben die Schweden für verschiedene Antibiotika ermittelt, ab welcher Konzentration die untersuchten Resistenzgene tatsächlich einen Selektionsvorteil bringen. Diese Konzentrationen sind durchweg niedriger als die Minimale Hemmkonzentration, in einem Fall um den Faktor 230. Ich verzichte hier darauf, die Ergebnisse im einzelnen aufzuführen, das Paper ist frei zugänglich und lesenswert.

Noch unerfreulicher ist das Ergebnis eines weiteren Versuchs, nämlich ob sich bei so niedrigen Antibiotika-Konzentrationen auch Resistenzen neu bilden und diese Stämme dauerhaft in der Population vertreten bleiben. Die Antwort ist ein ganz klares ja, und es ist nicht nur möglich, sondern unter den Bedingungen des Experiments quasi garantiert, dass Teile der Population widerstandsfähiger gegenüber dem Antibiotikum werden. Es ist auch keineswegs so, dass nur Mutanten auftauchen, die sich lediglich an die vorhandene niedrige Konzentration angepasst haben - auch der Anteil an deutlich widerstandsfähigeren Mutanten steigt im Laufe der Zeit an.



Nicht nur der Anteil resistenter Stämme nimmt mit der Zeit zu, sondern auch die Resistenz selbst. Grüne Dreiecke zeigen die empfindlichsten, schwarze Quadrate die resistentesten Stämme.
Quelle: Gullberg E, et al. PLoS Pathogens 10.1371/journal.ppat.1002158, 2011


In allen Experimenten gibt es allerdings auch eine Grenzkonzentration, unterhalb derer die nicht-resistenten Bakterien einen Selektionsvorteil haben, und diese Konzentration ist in fast allen Versuchen deutlich höher als solche, die man in der Umwelt findet. Insofern sollte man mit Schlussfolgerungen im Hinblick auf Resistenzen in natürlichen Umgebungen erst einmal vorsichtig sein. Es gibt allerdings Daten, die darauf hindeuten, dass diese Effekte sehr wohl auch in freier Wildbahn auftreten, zum Beispiel resistente Bakterien in Wildtieren, die dort eigentlich nicht auftauchen sollten.


Außerdem beziehen sich die Versuche auf resistente Stämme, die sich vom Wildtyp allein durch dieses eine Resistenzgen unterscheiden. Es ist aber bekannt, dass resistente Bakterien gelegentlich zusätzliche Erbanlagen aufweisen, die den Fitnessnachteil des Resistenzgens reduzieren oder ausgleichen. Es spricht nichts dagegen, dass solche Stämme sich schon bei deutlich geringeren Antibiotika-Konzentrationen anreichern.


Diese Ergebnisse sind ein (weiterer) Warnschuss, was resistente Bakterien und ihre medizinische Bedeutung angeht. Sie bedeuten, dass Resistenzen anders als vermutet eben nicht so schnell wieder aus natürlichen Populationen verschwinden werden, wenn sie einmal entstanden sind - heutzutage sind multiresistente Erreger hauptsächlich ein Problem in Krankenhäusern, aber das wird auf Dauer anders werden, mit allen Komplikationen, die das mit sich bringt. Schlimmstenfalls muss man irgendwann routinemä&... Read more »

Der extremophile Pilz aus der Geschirrspülmaschine

by Lars Fischer in Fischblog

Heute bin ich auf eine Veröffentlichung gestoßen, die eine Lücke in meinem jüngsten Ausflug in die Mikrobiologie des Haushalts schließt. Sie befasst sich nämlich mit Geschirrspülmaschinen, und die sind etwas anspruchsvollere Lebensräume als die Orte, an denen ich meine Proben genommen habe. Deswegen findet man dort auch spannendere Organismen, in diesem Fall Pilze.


Was die Forscherinnen aus Slowenien dort gefunden haben ist denn auch etwas spannender als der Gießkannenschimmel, den ich aus meinem Kühlschrank gekratzt habe. Zalar und Kollegen entdeckten eine Reihe interessanter Hefen, von denen sogar einige eine Gefahr für die menschliche Gesundheit sind, und mit Exophiala dermatitidis einen waschechten Extremophilen.


Letzteres ist natürlich besonders spannend, denn normalerweise findet man solche spezialisierten Organismen in Tiefseequellen, Salzseen oder unter Kilometern von Gestein. Dass eine Mikrobe mit solchen Eigenschaften, zumal noch ein Pilz, in menschlichen Behausungen auftaucht, damit hat man nicht unbedingt rechnen können.



Im Wesentlichen sind die Pilzforscher ziemlich genau so vorgegangen wie ich, sie haben mit einem sauberen Tuch den Schmier von der Gummidichtung gewischt und das ganze auf einer Kulturschale verteilt. Der wesentliche Unterschied ist, dass sie als Nährmedium Malzextraktagar verwendeten, der zusätzlich das Breitbandantibiotikum Chloramphenicol enthielt, um Bakterien fernzuhalten. Gut, mal abgesehen von dem Umstand dass ich meine Funde nicht anhand der Ribosomalen RNA identifiziert habe und wohl auch Ärger gekriegt hätte, wenn ich Teile der Kühlschrankdichtung rausgeschnitten und unters Rasterelektronenmikroskop gelegt hätte. Das kommt alles nächstes Mal.

Extreme Heimat für extreme Pilze
Dank der nährstoffreichen Essensreste ist die Spülmaschine natürlich attraktiv für Mikroben, auch wenn die sonstigen Bedingungen extrem sind. Das Wasser ist teilweise 80 Grad heiß und sprüht druckvoll durch die Gegend, aggressive Detergenzien bedrohen Mikroorganismen, Salzkonzentration und pH-Wert schwanken über große Bereiche. Mikroben haben es dort deswegen wesentlich schwieriger, sich zu halten - und das ist ja auch der Sinn der Sache. Allerdings kennen wir eigentlich für alle möglichen und unmöglichen Bedingungen Organismen, die sie vertragen, insofern ist es kaum überraschend, dass man etwas findet.


Auf jeden Fall haben Zalar und Kollegen 189 Geschirrspülmaschinen aus aller Welt untersucht, darunter fünf aus Deutschland. Was auffällt ist, dass trotz der insgesamt geringen Vielfalt gleich mehrere Pilze auftauchen, die als Krankheitserreger bekannt sind. Man fand zum Beispiel Candida parapsilosa und Fusarium dimerum, die beide Biofilme auf medizinischen Geräten wie Kathetern bilden und so in den Körper gelangen, dazu Magnusiomyces capitatus, der in immunschwachen Patienten die Atemwege befällt. Letzterer ist aus der freien Wildbahn praktisch nicht bekannt, möglicherweise ist er tatsächlich hauptsächlich in den Heißwassersystemen menschlicher Behausungen präsent.





Kolonien von Exophiala dermatitidis. Jede Kolonie ist etwa einen Milimeter groß. Quelle: Zalar P, et al., Dishwashers - A man-made ecological niche accommodating human opportunistic
fungal pathogens, Fungal Biology 10.1016/j.funbio.2011.04.007, 2011


Ebenfalls unklar ist die Herkunft des bemerkenswertesten Fundes in der Studie, nämlich Exophalia dermatitidis, eine Schwarzhefe, die unter anderem Hirnabszesse auslöst und auch gesunde Menschen umbringen kann. Fallberichte gibt es vor allem in Ostasien, wo man den Pilz gelegentlich in Dampfbädern findet - dass er den Menschen besiedelt ist eher selten und nicht immer gefährlich, etwa 0,3 Prozent aller Europäer tragen ihn in ihrem Harntrakt mit sich herum. Und offenbar lebt er in weltweit etwa einem Drittel aller Geschirrspülmaschinen.

Mal abgesehen davon, dass er das Potential hat, arglose Spülmaschinenbesitzer niederzustrecken, ist Exophiala bemerkenswert, weil es sich um einen echten Extremophilen handelt. In Versuchen wachsen die gefundenen Stämme noch bei Temperaturen um 45 Grad und einige von ihnen vertragen pH-Werte zwischen 2,5 und 12,5 - das ist kein Tippfehler. Außerdem berichten die Forscher von pH-abhängigen Wachstumsformen: Im sauren Bereich wächst der Pilz in Form amorpher Klumpen, während er ab etwa 5,0 kettenförmig wächst und auch Sporen bildet. Die hohen Salzkonzentrationen, mit denen man in Spülmaschinen Kalkablagerungen vermeidet, scheint er auch gut abzukönnen.


Eine interessante Frage in diesem Zusammenhang ist natürlich, ob dieser so speziell angepasste Pilz überhaupt noch Menschen befallen kann - der menschliche Körper ist ja auch ein extremer Lebensraum, allerdings ein völlig anderer als so eine Spülmaschine. Ich kann mir vorstellen, dass die Anpassungen, die sich über die Zeit entwickelt haben, dazu führen, dass diese Exophiala-Linien mit dem Immunsystem und anderen Besonderheiten des Warmblüter-Innenlebens nicht mehr so richtig gut klarkommen. Dafür spricht auch, dass die Pilze aus der Spülmaschine trotz ihrer Verbreitung und ihrer Nähe zum Menschen epidemiologisch noch nicht negativ aufgefallen sind - die beteiligten Wissenschaftlerinnen melden in dieser Frage zwar weiteren Forschungsbedarf, aber eine wirkliche Gefahr dürfte von den Pilzen nicht ausgehen.


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Zalar, P., Novak, M., de Hoog, G., & Gunde-Cimerman, N. (2011). Dishwashers – A man-made ecological niche accommodating human opportunistic fungal pathogens Fungal Biology DOI: 10.1016/j.funbio.2011.04.007
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Die Glas-Eier der Urzeitkrebse

by Lars Fischer in Fischblog

Einige Wassertiere legen Eier, die dank eines chemischen Tricks im ausgetrockneten Zustand lange Zeit überleben können. Wie das im Detail funktioniert ist allerdings erst zum Teil bekannt.


Die in Deutschland unter der Bezeichnung Urzeitkrebse bekannten Kiemenfüßer der Gattung Triops tragen diesen Namen zu Recht. Sie sind bereits aus der Obertrias vor 220 Millionen Jahren bekannt und gelten als die älteste bekannte Tierart überhaupt. Zu dieser Zeit begann der Superkontinent Pangäa zu zerfallen, und es ist nicht ganz abwegig zu vermuten, dass die Vorfahren dieser Wesen schon in den ersten Pfützen des entstehenden Proto-Atlantiks planschten.


Ihre evolutionäre Langlebigkeit dürfte unter anderem damit zu tun haben, dass sie in der Lage sind, Dauerformen auszubilden und so harte Zeiten zu überstehen. Ihre Eier können vollständig austrocknen und noch nach Jahren im Kontakt mit Wasser wieder zum Leben zurückkehren. Diese Stabilität verdanken sie einem chemischen Trick: Unter der festen Hülle lagern die Embryonen in kleinen harten Glaskugeln.





Natürlich ist es kein Fensterglas, sondern ein biologisches Glas, das kürzlich Stuttgarter Biologen in den gelb-braunen, oft eingedellten Kügelchen nachgewiesen haben. Die Eier sind so widerstandsfähig, dass sie vermischt mit Sand in Plastiktüten vertrieben werden und - im Fall der ähnlichen Art Artemia - in Tütchen dem Magazin Yps beilagen. Ihr dürft jetzt eine Träne der Nostalgie verdrücken.

Wasser
Der Mechanismus, der den Eiern samt der enthaltenen Embryonen diese Widerstandkraft verleiht, ist ganz bemerkenswert. Zuerst einmal trocknen die Eier aus, denn so lange biologisches Material feucht ist, können Pilze und Bakterien eindringen und sich der energiereichen Biomoleküle bemächtigen. Die Trockenheit behindert jedoch nicht nur Fressfeinde, sie ist auch ein großes Problem für die Eier selbst. Ihre Zellen bestehen zu etwa vier Fünfteln aus Wasser, das während der normalen Entwicklung als Lösungsmittel fungiert, in dem die chemischen Reaktionen des Lebens ablaufen. Zusätzlich hat es allerdings auch eine Reihe wichtiger struktureller Funktionen. Es verleiht den Zellbestandteilen Volumen, trennt die Bestandteile voneinander und hält vor allem die Strukturen von Proteinen und Membranen stabil.


Insbesondere die Struktur von Proteinen basiert ganz entscheidend auf der Anwesenheit von Wasser, beziehungsweise dem hydrophoben Effekt. Teile des Proteins werden von Wasser abgestoßen, sie sammeln sich im Inneren des Moleküls, während an seiner Außenseite die Wasserliebenden Gruppen zu liegen kommen. Verschwindet das Wasser, zum Beispiel durch Verdampfung im Vakuum, verlieren die Proteine ihre Struktur. Der Aufbau der Membranen, die Außenhülle, Kern und Organellen der Zelle bilden, hängt ebenfalls davon ab, dass sich unpolare Gruppen in ihrem Inneren sammeln, und dazu brauchen sie das polare, wässrige Umgebungsmilieu.


Ohne Wasser also reißen Membranen, denaturieren Proteine und die gesamte Struktur bricht zusammen. In dem als Anhydrobiose bezeichneten Dauerzustand passiert das jedoch nicht, und tatsächlich beherrschen verschiedene Organismen, darunter auch Nematoden und die berüchtigten Bärtierchen, diese Form der Trockenstarre. Sie ersetzen dazu das Wasser durch einen Stoff, die all diese Funktionen erfüllt, gleichzeitig aber so stabil ist, dass sie den mechanischen Zerfall der Zellstrukturen, die unter diesen Bedingungen ja nicht aktiv gewartet oder repariert werden können, verhindert. Dieser Stoff ist biologisches Glas.


Glas
Gläser sind Festkörper, die gewisse Eigenschaften von Flüssigkeiten haben. Vor allem bilden sie keine Kristalle, weswegen Fensterglas auch durchsichtig ist. Für die Zelle ist das der entscheidende Punkt, denn wachsende Kristalle nehmen ihre Form ohne keine Rücksicht auf biologische Strukturen ein und zerreißen Membranen und Organellen - auch der Grund weshalb Lebewesen beim normalen Einfrieren sterben[1] und gefrorene Früchte matschig werden. Das reicht allerdings noch nicht aus. Um die Funktion des Wassers in der Zelle zu ersetzen, muss das Glas aus Substanzen bestehen, die den chemischen Eigenschaften des Wassers ähnlich sind. Das betrifft vor allem seine Polarität und sein Netzwerk aus Wasserstoffbrücken, mit dem es die Struktur von Proteinen und Membranen stabilisiert.




Struktur der Trehalose. 


Beim Yps-Urzeitkrebs Artemia, dessen Anhydrobiose gut erforscht ist, übernimmt deswegen der Zucker Trehalose diese Aufgabe. Zucker bestehen aus Kohlenstoffringen, die mit Hydroxygruppen besetzt sind, quasi halben Wassermolekülen. Sie sind deswegen polar, was sich in ihrer Wasserlöslichkeit äußert, und können lokal ähnliche Wasserstoffbrücken bilden wie Wasser selbst. Außerdem weigern sich viele Zucker extrem hartnäckig zu kristallisieren - die Tischkanten von Zuckerchemikern erkennt man deswegen an den Bissspuren, für die Urzeitkrebse erweist sich das jedoch als vorteilhaft.

Ganz so einfach ist es natürlich nicht - eine ganze Reihe anderer Faktoren und Moleküle haben ihre Rollen zu spielen, damit Anhydrobiose funktioniert. In anderen Studien tauchten spezielle kleine Proteine auf, die Biomoleküle synergistisch mit Trehalose stabilisieren und darauf hindeuten, dass der Zucker allein nicht ausreicht.


Triops
Hengherr und Kollegen haben deswegen jetzt bei drei Triops-Arten und - zum Vergleich - dem Wasserfloh Daphnia nach einer ähnlichen glasigen Matrix mit viel Trehalose gesucht. Ob in den winzigen Eiern nun Glas oder irgendetwas anderes ist, kann man allerdings nicht direkt sehen. Stattdessen nutzen die Forscher die Dynamische Differenkalorimetrie, mit der man bestimmen kann, welche Wärmemengen ein Material aufnimmt oder abgibt. In diesem Verfahren zeichnen sich zum Beispiel Phasenübergänge als Stufen in einer Kurve deutlich ab. Gläser haben ebenfalls so einen Übergang, an dem das Material von einer elastischen und viskosen Masse in den eigentlichen glasigen Festkörper übergeht. Im Grunde ist das so etwas wie ein Gefrierpunkt, mit dem Unterschied dass das Material auf beiden Seiten dieses Überganges im physikalischen Sinne flüssig ist.



Triops longicaudatus. Bild: Dominik Tomaszewski



Bei den Eiern von Triops tritt dieser Glasübergang auf, bei Daphnia nicht, und Triops-Eier sind entsprechend lagerfähiger. Der Glasübergang hat für Triops allerdings außerdem eine ganz konkrete Bedeutung. Unterhalb dieser Temperatur fällt die überlebensrate der Eier mit steigender Temperatur langsam ab, bis auf etwa 40 Prozent. Überschreiten die Eier die Glastemperatur von etwa 70 bis 80 Grad, schlüpfen anschließend nur noch aus wenigen Prozent der Eier lebende Krebse.
Das zeigt einerseits, dass der Glaszustand für die Lagerfähigkeit der Eier von großer Bedeutung ist, zum anderen demonstriert es aber auch dass es nicht allein die Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken die Eier lebensfähig hält - offenbar ist die mechanische Stabilität des Glases als Faktor unverzichtbar.


Trehalose
Der zweite Befund allerdings ist zumindest ein wenig überraschend, denn die untersuchten Triops-Arten enthalten mit 0,5% der Trockenmasse sehr wenig Trehalose. In anderen Krebsen oder Nematoden, die Anhydrobiose betreiben, bestehen zehn bis zwanzig Prozent der Trockenmasse in ruhenden Eiern aus diesem Zucker, bei Triops liegt der Gehalt mindestens eine Größenordnung niedriger.


Das heißt allerdings nicht, dass der Zucker und die von ihm vermittelten Wasserstoffbrücken keine Rolle spielen - die beteiligten Forscher halten eine Rolle der Trehalose sogar für wahrscheinlich, wohl in Form einer gemeinsamen Wirkung mit kleinen Proteinen. Sicher ist damit allerdings, dass der Zucker nicht der Ha... Read more »

Krebs und die frühen Vielzeller

by Lars Fischer in Fischblog

Nachdem die ersten Ozeane entstanden, dauerte es nur wenige hundert Millionen Jahre, bis lebende Zellen auf der Erde auftauchen. Für die Entstehung der ersten Vielzeller allerdings brauchte die Evolution weitere drei Milliarden Jahre - ein Vielfaches dieser Zeitspanne. Entsprechend haben wir inzwischen einige sehr plausible Vorstellungen von der Entstehung des Lebens selbst, dagegen liegt der Ursprung vielzelliger Lebewesen, der Metazoen, nach wie vor im Dunkeln.


Hinweise darauf müssen im Genom aller Vielzeller begraben liegen. Aber wo? Die neueste Idee kommt aus einem Artikel von Paul Davies und Charles Lineweaver - Astrophysiker, nicht Biologen, aber diesen Umstand lasse ich mal unkommentiert - in Physical Biology, demnach sind es die Onkogene. Die ersten vielzelligen Lebewesen, schlagen sie vor, waren tumorartige Kolonien, und Krebs ist nichts anderes als ein Rückfall in eine evolutionäre Frühphase der Vielzelligkeit.



Als Indizien führen sie die bemerkenswerten Überlebens- und Fortpflanzungstricks von Krebszellen an, die sich ihrer Meinung nach nicht durch zufällige Mutationen und Selektionsdruck erklären lassen. Sie gehören vielmehr zu einem ungleich älteren System, nämlich der Überlebensausrüstung der ursprünglichsten Metazoen. Von diesen Organismen, die vor etwa 600 Millionen Jahren gelebt haben müssten, soll der Werkzeugkasten der Krebszellen abstammen: Toleranz gegenüber niedrigen pH-Werten, Metastasenbildung bis hin zu aktiven Maßnahmen gegen die Immunabwehr des Körpers. Krebs, das ist die Botschaft, ist deutlich komplexer und überlebensfähiger, als man es von einer Ansammlung von wildwachsenden Rogue Cells erwarten sollte. Seine Tricks kommen aus einem älteren Fundus, und da Krebs bei nahezu allen Metazoen auftritt, mithin aus dem gemeinsamen Erbe aller vielzelliger Organismen.




Rückfall zum Ur-Vielzeller? Eierstock-Tumor. Quelle: Ed Uthman, CC BY-SA


Ich bin in Onkologie nicht bewandert genug, um zu beurteilen, wie stichhaltig die Argumentation im Einzelnen ist. Mir stellt sich dabei allerdings eine ganz andere Frage: Ist die Vorstellung der allerersten Metazoen als kooperative Zellklumpen überhaupt plausibel? In dieser Vorstellung kommt ja zuerst einmal die Vielzelligkeit - über Millionen Jahre wenig differenzierte Blobs - vor der Spezialisierung in Zelltypen mit verschiedenen Aufgaben.

Es spricht allerdings nichts dagegen, dass es genau andersherum gewesen sein könnte: Erst Differenzierung, dann Vielzelligkeit. Schließlich gibt es verblüffende Beispiele kooperativer Bakterien und Einzeller, die komplexe Gebilde formen, in denen unterschiedliche Organismen je nach Ort und Zeitpunkt unterschiedliche Rollen übernehmen. Das reicht von Bakterienmatten, Biofilmen und Stromatolithen bis hin zu so komplexen Gebilden wie Schleimpilzen oder anderen freilebenden einzelligen Organismen, die auf ein Signal hin Kollektive formen, die z.B. Sporenbehälter ausbilden.


Eine wesentlich einleuchtendere Hypothese scheint mir zu sein, dass die Vorläufer der Metazoen erst lernten, in Kolonien je nach Bedingungen verschiedene Aufgaben zu übernehmen - schließlich ist Vielzelligkeit mit hohen Kosten verbunden, und der zusätzliche Effizienzgewinn bei der Spezialisierung ist ein möglicher Vorteil, der den Aufwand rechtfertigen würde. Aber dazu muss bereits ein gewisser Grad von Arbeitsteilung existieren. Was ein undifferenzierter Blob von seiner Vielzelligkeit hätte, erschließt sich mir nicht.

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Davies, P., & Lineweaver, C. (2011). Cancer tumors as Metazoa 1.0: tapping genes of ancient ancestors Physical Biology, 8 (1) DOI: 10.1088/1478-3975/8/1/015001
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Papier mit antibakterieller Silber-Beschichtung ist wahrscheinlich keine gute Idee

by Lars Fischer in Fischblog

Man kann über die Lebensmittelindustrie ja sagen was man will, die ganzen Verfahren, Nahrungsmittel keimfrei zu bekommen, gehören zu den bedeutendsten Errungenschaften der Technik. Wir vergessen ja gerne, dass gerade Lebensmittel früher keineswegs gesünder waren als heute, und nach wie vor sterben an Durchfallerkrankungen weltweit jedes Jahr Millionen Menschen, überwiegend Kinder. Insofern bin ich sehr dafür, mit immer neuen Methoden zu verhindern, dass potenziell gefährliche Bakterien unsere Nahrung besiedeln. Einige Sachen sollte man aber trotzdem besser lassen, und Punkt eins auf der Liste ist, wild mit Antibiotika rumzupanschen.


Die Bar-Ilan-Universität in Israel vermeldet jedenfalls jetzt eine Methode, mit Ultraschall Silber-imprägniertes Papier herzustellen, für antimikrobielle Anwendungen. Das wundert mich eigentlich überhaupt nicht, denn in den letzten Jahren haben die Leute Silber-Nanopartikel auf alles draufgeklatscht wo die Dinger dran kleben bleiben. Bei Papier hat es halt ein bisschen länger gedauert.




Das Ergebnis ist ein Papier mit einer schön gleichmäßigen festen Schicht aus Silber-Nanopartikeln, deren Dicke man ganz einfach durch die Konzentration der Ursprungslösung einstellen kann. Das so beschichtete Papier tötet auch nachweislich gram-positive (S. aureus) wie gram-negative (E. coli) Bazillen ab, so dass man tatsächlich ein antibakterielles Butterbrotpapier in der Hand hat.





Silber-Nanopartikel auf Papier nach 0, 30 60 und 120 Minuten. Quelle:  Gedanken et al., Langmuir 27, S. 720–726, 2011.






Bleibt die Frage, ob das so eine tolle Idee ist, alle möglichen Gebrauchsgegenstände mit Silber zu imprägnieren. Anders als der populäre Mythos will, können Bakterien auch gegen Silber und seine Salze resistent werden. Das grundsätzliche Problem hier ist natürlich einerseits das aller Antibiotika: Je häufiger sie eingesetzt werden, desto eher etablieren sich Resistenzgene in natürlichen Populationen.

Allerdings würde niemand auf die Idee kommen, sein Unterhemd oder den Kühlschrank regelmäßig mit Doxycyclin zu imprägnieren, während entsprechende Produkte mit Silber längst auf dem Markt sind. Ganz zu schweigen von all den Leuten, die fröhlich mit selbstgebasteltem Silberkolloid rumplanschen.


In der medizinischen Praxis verwenden Ärzte Silber unter anderem für Wundverbände, aber auch für Beschichtungen für Dauerkatheter, um Blaseninfektionen in Schach zu halten. Das kann natürlich nur dann funktionieren, wenn der Patient eben nicht drei mal Wöchentlich selbst Nanosilber auf der Haut trägt und seine privaten Staphylokokken damit auf diese Form der Behandlung vorbereitet.


Der nächste Punkt ist, dass eine Resistenz selten allein kommt. Es gibt mehrere Strategien, die Resistenz gegen Silber vermitteln, eine davon ist zum Beispiel, das Silber mit speziellen Membranproteinen aus der Zelle herauszupumpen bevor es Schaden anrichten kann. Das funktioniert bei einer ganzen Reihe von Antibiotika, so dass silberresistente Bakterien gelegentlich auch gegen andere Stoffe wie Chinolone weniger empfindlich sind. Und dann gibt es noch das Problem mit den Kreuzresistenzen: Die Gene für solche Gegenmaßnahmen tauchen in Bakterien nicht zufällig irgendwo auf, sondern auf kleinen ringförmigen Erbgutabschnitten, die man als Plasmide bezeichnet. Auf einem Plasmid liegen unter Umständen mehrere Resistenzgene, die sehr unterschiedliche Antibiotika betreffen - eine Publikation berichtet von einem Plasmid, das nicht nor vor Silber schützt, sondern unter anderm noch vor Ampicillin, Chloramphenicol, Tetracyclin, Streptomycin und einen großen Teil aller Sulfonamide. Bakterien können Plasmide auch untereinander austauschen, das heißt, wenn ein Keim es hat, haben es bald alle, wenn die Umweltbedingungen es begünstigen. Und da kommen eben wieder die ganzen Bedarfsgegenstände mit Nanosilber ins Spiel.


Im Moment gibt es allerdings, das sind die guten Nachrichten, bestenfalls knapp zwei Dutzend Berichte von silberresistenten Bakterien. Das könnte darauf hindeuten, dass das Merkmal ziemlich "teuer" ist und unter normalen Bedingungen wieder aus der Population verschwindet. Außerdem macht das ganze antimikrobielle Silber derzeit nur etwa 15 Prozent des gesamten Silbers im Abwasser aus, und damit dürfte der Effekt noch moderat sein.


Beim gegenwärtigen Stand der Dinge sind wir noch ein ganzes Stück davon entfernt, ein echtes Problem durch Silber an Gebrauchsgegenständen zu bekommen, aber das kann sich mit massenproduzierten antibakteriellen Papieren auch ganz schnell ändern. Wenn es nach mir ginge, wären antibakterielle Silberbeschichtungen außerhalb medizinischer Anwendungen grundsätzlich verboten, und Antibiotika-Mast in der Landwirtschaft gleich mit. Reicht euch ein MRSA nicht? Wie viele multiresistente Keime hättet ihr denn gern?

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Gottesman, R., Shukla, S., Perkas, N., Solovyov, L., Nitzan, Y., & Gedanken, A. (2011). Sonochemical Coating of Paper by Microbiocidal Silver Nanoparticles Langmuir, 27 (2), 720-726 DOI: 10.1021/la103401z
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Stille Mutationen und die Zelle als verrückter Erfinder

by Lars Fischer in Fischblog

Wir haben uns daran gewöhnt, in der Biologie in elektronischen Analogien zu denken – das Gehirn als biologischer Computer, dazu der genetische Code und sein Compiler, das Ribosom. Aber das Bild ist schief. In biologischen Systemen gibt es keine kausale Logik und keine exakt definierten Funktionen. Sie ähneln eher den kuriosen mechanischen Konstruktionen aus den Cracking Contraptions von Wallace and Gromit: Ein Gewirr aus Hebeln, Federn, Zahnrädern und seltsam geformte Bauteilen, bei denen man nie hundertprozentig weiß, was sie tatsächlich machen.[1]



Ein schönes Beispiel dafür sind "stille" Mutationen und ihre gelegentlich überraschenden Auswirkungen, die Kimchi-Sarfaty et al. 2007 in Science publiziert haben. Im genetischen Code stehen mehrere verschiedene Basentripletts für die gleiche Aminosäure im codierten Protein. Zum Beispiel steht die Basensequenz AAA – drei mal die Base Adenin – genauso für die Aminosäure Lysin wie die Sequenz AAG, in der die letzte Base durch Guanin ersetzt wurde. So lange es nur um die reine Information geht, macht es keinen Unterschied, ob im Gen nun AAA oder AAG steht.


Aber so funktioniert die Zelle eben nicht. Der Mechanismus, der Gene in Proteine übersetzt, hat ein Eigenleben und beeinflusst seinerseits das Ergebnis. Der Trick ist in diesem Fall, dass nicht alle synonymen Codons gleich geschaffen sind. Einige der Dreierkombinationen kommen im genetischen Code häufig vor, andere nur selten, und das gilt auch für die jeweils spezifische tRNA, die das Ende der Peptidkette um eine Aminosäure verlängert. Bei seltenen Codons ist die Menge an zugehöriger tRNA relativ gering, und das hat automatisch auch Auswirkungen auf die Übersetzung der Basensequenz in die Aminosäurefolge des fertigen Proteins.












Die Zelle: Ein verrückter Erfinder


Dass dieser Konzentrationseffekt tatsächlich für das fertige Protein einen Unterschied macht, zeigt das Beispiel des Transportproteins P-gp, das unter anderem Chemotherapeutika aus Krebszellen heraustransportiert und das Forscher deswegen gründlich untersucht haben. In der Sequenz des zugehörigen Gen MDR1 (Multi Drug Resistance 1) haben Genetiker mehr als fünfzig Punktmutationen entdeckt, bei denen in einigen Genvarianten einzelne Nucleotide gegen andere ausgetauscht sind. Eine dieser Mutationen, C3435T (der erste Buchstabe bezeichnet die "normale" Base, die Zahl ihre Position im Gen und der zweite Buchstabe die Base, die sie in der Mutation ersetzt), sollte eigentlich stumm sein. Ist sie aber nicht. Man weiß nämlich, dass diese eigentlich irrelevante Mutation die Aktivität des Proteins verändert und, falls es das einzige vorhandene Allel ist, seine Funktion verschlechtert.


C3435T wandelt ein häufiges Codon in ein seltenes um. Sobald nun dieses Protein stark exprimiert wird, leert sich der eh schon begrenzte Pool an passender tRNA, und es dauert mit jedem neuen Protein länger und länger, bis die Translation weiter geht. In der Wartezeit baumelt das bereits synthetisierten Ende des Proteins im Zellplasma herum.


Die Peptidkette beginnt schon während ihrer Entstehung, sich in ihre endgültige Form zu falten. Durch die Verzögerung durch das seltene Codon faltet sich das baumelnde Ende fertig, bevor der Rest der Kette aus dem Ribosom hervorkommt und an dieser Faltung teilnehmen kann. Es macht einen Unterschied für die endgültige Struktur des gesamten Proteins, wie viel von der Aminosäurekette dabei mitmacht: Das mutierte Protein bekommt dadurch eine andere räumliche Gestalt und - das beweisen Versuche mit den entsprechenden Zellen - kann seiner Funktion weniger gut nachkommen.


Die Ursache für diese Veränderung ist im besten Sinne rein mechanisch: Da ein Teil fehlt, bleibt die Maschinerie stecken, während am Ende des Proteins schon weiter gearbeitet wird - wie bei einem Auto, dem schon die Karosserie aufgeschweißt wird, während alle noch auf die Lieferung der Hinterachse warten. Dass es tatsächlich die Proteinfaltung ist, die hier den Unterschied macht, lässt sich zum Beispiel durch spezielle Antikörper nachweisen, die empfindlich auf Veränderungen der Form reagieren.


Im Falle des P-gp ist die Verzögerung während der Proteinsynthese, ein Fehler, der letztendlich die Leistung des Transporters verschlechtert. Das muss aber nicht immer der Fall sein: Der gleiche Effekt reguliert die Funktion unterschiedlicher Varianten des Strukturproteins Aktin. Derartige Mechanismen werden wir in Zukunft noch häufiger sehen.
Bei molekularen Maschinen kann eben – und darin zeigt sich die Überlegenheit des Lebens gegenüber allen konstruierten Apparaten – auch der Sand im Getriebe ein entscheidendes Bauteil sein.

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[1] Genau wie ein echter Garagentüftler bastelt die Zelle neue Systeme grundsätzlich aus alten Teilen zusammen, die eigentlich ganz andere Funktionen haben, aber sich frür die gerade anstehende Konstruktion zweckentfremden lassen.-

Kimchi-Sarfaty, C., Oh, J., Kim, I., Sauna, Z., Calcagno, A., Ambudkar, S., & Gottesman, M. (2007). A "Silent" Polymorphism in the MDR1 Gene Changes Substrate Specificity Science, 315 (5811), 525-528 DOI: 10.1126/science.1135308
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Wozu Sex?

by Lars Fischer in Fischblog

Weshalb sich nahezu alle mehrzelligen Organismen geschlechtlich fortpflanzen ist Gegenstand vieler plausibler Theorien. Inzwischen gibt es auch experimentelle Daten.

Warum Sex, wenn man es auch bleiben lassen kann? Viele Tiere müssten sich die Mühe mit dem leidigen Boy-meets-Girl eigentlich gar nicht machen, sie sind ohne weiteres in der Lage, auch ohne Befruchtung Nachwuchs zu produzieren. Die Palette reicht von millimetergroßen Rädertierchen und Milben, denen es schon seit Jahrmillionen niemand mehr besorgt, bis hin zu großen Wirbeltieren.


Letztere verzichten nur im Notfall auf Sex, aber eigentlich liegen die Vorteile der Jungfernzeugung auf der Hand: Jedes Individuum der Spezies bringt Nachkommen zur Welt und eine gegebene Population wächst automatisch schneller als bei sexueller Fortpflanzung, bei der ein Teil der Population nur Samenzellen hervorbringt[1]. Der ganze Ärger mit der Partnerwahl entfällt völlig (wie viel Energie das spart, dürfte für jeden Leser einsichtig sein).


Es bedarf also dringend einer Erklärung, warum Organismen Energie für die Paarung aufwenden, um dann nur die Hälfte ihrer Gene an die Nachkommen weiterzugeben, von denen außerdem noch einige nicht mal selbst wieder Nachkommen haben. Das ergibt alles keinen Sinn.



Tut es natürlich doch. Sogar sehr, wie wir bald sehen werden. Sex hat für die beteiligten Individuen theoretisch eine ganze Reihe Vorteile (neben den offensichtlichen). Zum einen bewirkt regelmäßiger Geschlechtsverkehr, dass die Mitglieder einer Abstammungsreihe genetisch divers sind, statt aus identischen Klonen zu bestehen. Praktisch ist das, wenn ein Individuum sich einen Krankheitserreger einfängt und daran stirbt. In diesem Fall nämlich findet der Gegner anschließend eben keine nahezu identischen Opfer aus der gleichen Linie vor: Die Nachkommen aus sexueller Vermehrung bringen alle unterschiedliche Veranlagungen mit – zum Beispiel die, an einem bestimmten Krankheitserreger nicht zu sterben.


Der entscheidende Punkt allerdings ist, dass Sex die Evolution ganz erheblich beschleunigt. Das ist der Kern der Parasitentheorie der Sexualität, auch unter der Bezeichnung Red Queen Effect[2] bekannt, nach der Figur aus "Alice im Wunderland". Diese 1973 von Leigh Van Valen aufgestellte These besagt, dass Lebewesen konstant mit hoher Geschwindigkeit evolvieren müssen, um nicht von speziell angepassten Parasiten aufgefressen zu werden. Parasiten sind kleiner und haben eine kürzere Generationszeit als ihre Wirte, die deswegen im ständigen Rüstungswettlauf mit den Pathogenen jeden Vorteil gebrauchen können.





Klonale Interferenz: Bei asexuellen Arten (unten) dauert es ungleich länger, einen vorteilhaften Genotyp AB in einer Population zu erzeugen: Beide günstigen Mutationen müssen in der gleichen Abstammungslinie auftreten, um sich gemeinsam zu etablieren. Sexuelle Fortpflanzung erlaubt es, Gene aus verschiedenen linien zu kombinieren. Bild: Wikimedia Commons


Grundsätzlich mutieren asexuelle Organismen natürlich genauso schnell wie sich sexuell vermehrende. Bei ihnen bremst allerdings ein spezifischer Effekt die Geschwindigkeit der Evolution: Günstige Mutationen verdrängen sich gegenseitig aus der Population, so dass nur wenige von ihnen langfristig fixiert werden. Das liegt einfach daran, dass unterschiedliche Abstammungslinien sich nicht vermischen können – Mutation A und Mutation B kämpfen um die Vorherrschaft, bis eine der Abstammungslinien verschwindet. In einer sexuellen Population dagegen bildet sich quasi sofort der noch überlegeneren Genotyp AB, und sowohl Mutation A und Mutation B bleiben dauerhaft in der Population.


Soweit die Theorie. Der erste mir bekannte experimentelle Befund stammt allerdings erst aus dem Jahr 2002, als Nick Colegrave von der University of Edinburgh an Hefen demonstrierte, dass Sex die Anpassung tatsächlich beschleunigt. Erfreulicherweise wies er dabei gleich noch einen Effekt nach, der theoretisch direkt aus dem oben beschriebenen Modell folgt: Nur wenn die Population so groß ist, dass mehrere günstige Mutationen gleichzeitig in ihr herumwesen, bringt Sex irgendwem irgendetwas. Bei einzelnen Mutationen in vergleichsweise großen Abständen ist die Art mit Jungfernzeugung besser bedient.


Das beweist natürlich nur, dass Sex tatsächlich potentiell nützlich ist. Es ist allerdings eine andere und nicht ganz triviale Frage, ob der Nutzen von Sex entscheidend oder im Vergleich zu den Kosten nur marginal ist. Angesichts der Dominanz geschlechtlicher Fortpflanzung liegt die Antwort nahe, aber auf einen echten Beleg musste die Welt ziemlich lange warten.







Brachionus calyciflorus. Bild: PLoS Biology, CC-BY-SA




Mit dem Wappen-Rädertierchen Brachionus calyciflorus können Forscher jetzt einen Organismus vorweisen, der als Reaktion auf einen definierten Selektionsdruck Sexualität bevorzugt. Brachionus ist ein millimetergroßer unauffälliger Wasserorganismus, der sich allerdings sowohl sexuell als auch asexuell vermehren kann. Normalerweise erzeugt das Tierchen Eier, aus denen nur Weibchen schlüpfen, gelegentlich jedoch wechseln Brachionus-Arten den Fortpflanzungsmodus und beginnen, Männchen zu produzieren. Was dann passiert, könnt ihr euch ja denken.

Diese Neigung, trotz Jungfernzeugung gelegentlich mal einen wegzustecken, macht die Rädertierchen natürlich zu einem idealen Modellorganismus für Fortpflanzungsstrategien. Man kann zum Beispiel, wie jetzt geschehen, mit Hilfe der Nahrungsversorgung einen Selektionsdruck erzeugen und gucken, ob dadurch der Anteil geschlechtlicher Nachkommen steigt.


Becks und Agarwal arbeiten mit Populationen von etwa 10 000 der Tiere, die sie jeweils mit guter oder schlechter Nahrung fütterten und pro Generation der Tiere (etwa ein Tag) einen Teil der jeweiligen Population ins andere Becken verfrachten. Da die Rädertierchen sich unter diesen Umständen mehrere Generationen lang an die Bedingungen anpassen können, bekommt ihnen der jeweils andere Typ Nahrung naturgemäß schlechter. Der Versuch selektiert also auf schnellere Anpassung an widrige Bedingungen.






Brachionus beim Sex. Links das Männchen. Bild: Dan Levitis




Ich habe das Experiment bei Spektrumdirekt schon ausführlich besprochen, deswegen hier nur das Ergebnis: Bei wechselnden Umweltbedingungen hatte Brachionus doppelt so häufig Sex wie bei gleichbleibender Fütterung. In den Kontrollexperimenten stammten etwa sieben Prozent des Nachwuchses aus geschlechtlicher Vereinigung. Bei den Rädertierchen, die unfreiwillig zwischen verschiedenen Bedingungen wechselten, war ihr Anteil mit 15 Prozent glatt doppelt so hoch.

Die Ursache dafür ist tatsächlich ein allgemeiner Selektionsdruck hin zu mehr Sex, denn der Lustgewinn betrifftf keinesfalls nur die aktiven paar Prozent. Auch die weiterhin asexuellen Klone dieses Experiments ließen sich von den Wissenschaftlern wesentlich leichter mit chemischen Signalen zur Zweisamkeit animieren. Mit einem kleinen Unterschied in der Nahrungsqualität kann man demnach eine ganze Population von insgesamt 20.000 Rädertierchen willig machen. Williger als vorher jedenfalls.


Das ist schon ganz bemerkenswert, wenn man sich klar macht, wie günstig die Bedingungen im Labor eigentlich sind – keine Fressfeinde, regelmäßiges Futter, angenehm warmes Wasser und jeden Abend liest ein Diplomand ihnen was aus dem Märchenbuch vor[3]. Eigentlich eine Steilvorlage für einen Organismus, der so schnell wie möglich so viel Nachwuchs wie möglich produziert. Unter den Bedingungen des Versuchs kann die sexuelle Strategie kaum mehr als einen winzigen Vorteil erzeugen, bei dem nur schwer vorstellbar ist, dass er die beträchtlichen Sex-Kosten aufwiegt. Trotzde... Read more »

Manchmal kommen sie wieder - wie tot sind ausgestorbene Arten wirklich?

by Lars Fischer in Fischblog

Zu Beginn gibt es von der fraglichen Art noch einen ganzen Haufen, dann werden es immer weniger, irgendwann kommt die Art auf die berühmte Rote Liste und irgendwann hört man gar nichts mehr von ihr. War’s das? Wieder 50 Punkte für die Menschheit im Evolutions-Egoshooter? Erstaunlicherweise nicht immer. Über ein Drittel aller Säugetierarten, die als verloren galten, ist irgendwann wieder aufgetaucht, darunter durchaus große Arten wie der Guadalupe-Seebär, die eigentlich gar nicht so einfach zu übersehen sind.



Ein Beitrag zum Blogkarneval  der bedrohten Arten von


Sören Schewe


Woher weiß man aber eigentlich, dass ein Tier wirklich ausgestorben ist? Als grobe Richtlinie galt bis 1995 ein Zeitraum von etwa 50 Jahren, in denen die betreffende Kreatur nicht mehr gesichtet wurde. Davon ist man ein bisschen abgekommen, weil die Welt ziemlich groß ist und viele gefährdete Arten in Regionen leben, in denen botanisierende Westler damit ausgelastet sind, sich Blutegel von den Genitalien zu klauben oder gerade an irgendeinem scheußlichen Parasiten eingehen. Und im Unterholz verstecken können sich seltene Tiere natürlich auch[1].


Es ist also kaum verwunderlich, dass immer wieder verloren geglaubte Arten auftauchen, teilweise Jahrzehnte oder Jahrhunderte nach ihrem Verschwinden. Inzwischen ist die IUCN (die mit der Roten Liste) auch wesentlich vorsichtiger mit der Formulierung "ausgestorben" und verlangt als Kriterium, dass jemand hingegangen ist und sorgfältig gesucht hat, und zwar echte Zoologen mit blutegelfester Unterwäsche.


Aber auch die können keine letzte Sicherheit bieten, und so werden auch in Zukunft noch verloren geglaubte Arten aus der Versenkung auftauchen. Die Frage ist natürlich, ob der allgemeine Artenschwund dadurch nicht massiv überschätzt wird – kann man irgendwelche Aussagen machen, welche Arten unter welchen Bedingungen wiederkehren könnten? Eine solche Untersuchung haben kürzlich Fisher et al. durchgeführt, und zwar anhand der Säugetiere, die relativ gut zu beobachten und auch zahlenmäßig überschaubar sind.


Es gibt ungefähr 5000 Säugetierarten, von denen 187 seit dem Jahr 1500 verschwunden sind. Davon wiederum sind 67 Arten irgendwann wieder aufgetaucht (von denen eine, das Wüstenrattenkänguruh, ein paar Jahre nach ihrer Wiederentdeckung endgültig plattgemacht wurde). Zu all diesen fast oder ganz verschwundenen Tieren sammelten die Forscher Daten über Größe und Art des Lebensraumes, Lebensweise, Populationsdichte, menschliche Besiedelung des Lebensraumes, den wahrscheinlichen Hauptgrund fürs Verschwinden und wie oft anschließend nach dem Tier gesucht wurde. Bemerkenswerterweise ist nach Angaben der Forscher keiner der Datensätze zu weniger als 94 Prozent vollständig – Säugetiere sind recht gut erforscht.


Die statistische Analyse dieser Datensätze zeigt, dass bestimmte verschwundene Tierarten tatsächlich mit höherer Wahrscheinlichkeit wieder auftauchen als andere. Naheliegend ist, dass ein großer Lebensraum die Chancen verbessert. Tiere mit Verbreitungen bis zu einer Million Quadratkilometer tauchten 26-mal so häufig wieder auf wie Tiere, die mit einem Quadratkilometer auskommen mussten. Was niemanden wirklich wundern dürfte. Auch die Art der Bedrohung macht einen Unterschied, und zwar einen, der eine gute Nachricht ist. Die meisten Tiere tauchen auf der Roten Liste auf, weil ihr Lebensraum schwindet, aber Tiere, die wegen schwindenden Lebensraum als ausgestorben galten, kehren auch am häufigsten wieder.


Wesentlich nachhaltiger ausgerottet sind dagegen solche Tiere, die vom Menschen oder den von ihnen eingeschleppten Arten vertilgt werden. Die verschwundenen Pelztiere des 19. Jahrhunderts sind mit ziemlicher Sicherheit futsch, und auch die Zukunft der meisten endemischen Arten auf Inseln ist dank Katzen, Ratten und Mäusen tendenziell ziemlich düster.


Die Daten geben auch Aufschluss darüber, wie viel Mühe man sich für eine verloren geglaubte Art sinnvollerweise machen sollte. Nach den allermeisten Säugetieren haben ein oder zwei Expeditionen gesucht, mit mäßiger Erfolgsquote, die bei der dritten bis sechsten Suche stark ansteigt. So oft ziehen die Leute allerdings eher selten los, und nur nach einem halben Dutzend dieser Tierarten haben Forscher noch häufiger gesucht, jedes mal ohne Erfolg.


Die Forscher empfehlen, die Suche nach diesen prominenten Arten – darunter der Beutelwolf und das Wildpferd – aufzugeben und die Ressourcen zu verwenden, um andere "ausgestorbene" Tiere wiederzufinden und effektiv zu schützen. Denn für viele von ihnen ist es noch lange nicht zu spät.
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[1] Abgesehen vielleicht von den Nashörnern.

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Fisher, D., & Blomberg, S. (2010). Correlates of rediscovery and the detectability of extinction in mammals Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences DOI: 10.1098/rspb.2010.1579
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Die Macht der Bilder

by Lars Fischer in Fischblog

Wieviel einfacher wäre die Chemie, wenn man ihre Bausteine nur sehen könnte! Weil Atome und Moleküle unsichtbar bleiben, ist diese Wissenschaft zugleich eine der abstraktesten, und das obwohl sich die Chemie wie kaum ein anderes Fach mit handfesten Alltagsthemen beschäftigt. So real moderne Darstellungen von Molekülen scheinen mögen – Chemiker wissen nicht, wie Moleküle wirklich aussehen. Alles was wir haben sind Interpretationen von Daten.


Es sieht allerdings so aus als würde sich das jetzt ändern. Neuerdings gibt es tatsächlich direkte Abbildungen von einzelnen Molekülen, aufgenommen mit einem Rasterkraftmikroskop. Vor ziemlich genau einem Jahr hat die Arbeitsgruppe von Leo Gross die ersten solchen Bilder präsentiert (zufällig vom Pentacen, das mir sehr am Herzen liegt). Die Idee ist natürlich, dass man die Struktur im Bild einfach sehen kann, statt sie sich aus spektroskopischen Daten mühsam zusammenzufrickeln. Vor einer Weile – ich bin spät dran mit diesem Beitrag – haben Gross et al. ihre Methode dann einem ersten Härtetest unterzogen.



Es geht um den Naturstoff Cephalandol A, der die Summenformel C16H10N2O2 hat und unter anderem von der Mikrobe Dermacoccus abyssi hergestellt wird. Aufgetaucht ist das Zeugs bei der Suche nach neuen Verbindungsklassen für die Pharmaforschung, die bevorzugt in Organismen vermutet werden, die jemand aus den hinterletzten Winkeln des Planeten gekratzt hat. Das fragliche Vieh kam mit einem Bohrkern aus dem elf Kilometer tiefen Challenger Deep im Marianengraben ans Tageslicht. An der molekularen Struktur von Cephalandol A hatten andere Wissenschaftler mit konventionellen Verfahren ziemlich zu knabbern, was Gross und Kollegen zur Probe aufs Exempel bewogen hat, ob ihre Methode besser abschneidet.


Das grundsätzliche Problem dabei ist die enorme Vielfalt an möglichen Strukturen, die es voneinander zu unterscheiden gilt. Die Spektroskopie und andere herkömmliche Methoden der Strukturaufklärung sehen nicht das ganze Molekül, sondern nur isolierte Atomgruppen, die auf das jeweilige Verfahren mit einem spezifischen Signal reagieren. Die Kernresonanzspektroskopie (NMR) zum Beispiel verrät einiges darüber, welche Atome nebeneinander liegen, die Schwingungsspektroskopie erkennt einfach und doppelt gebundene Atome und dergleichen, doch das Gesamtbild muss man aus diesen Daten erst einmal rekonstruieren.


Die vier zur Auswahl stehenden Strukturen für Cephalandol A. Wu, Hsu und Yao tippten 2006 auf Nummer zwei, was sich später als falsch erwies. Die richtige Struktur ist 1.

Beim Cephalandol gibt es denn auch vier mögliche Strukturen, die mit den an der Probe gemessenen 2D-NMR-Spektren (hier COSY und HMBC) konsistent sind. In der ersten Veröffentlichung über diesen Stoff griffen die beteiligten Forscher auch prompt ins Klo, veröffentlichten die falsche Struktur und durften sich zwei Jahre später von Kollegen öffentlich korrigieren lassen. Ärgerlich.


Mit ihrer neuen Methode, sagen jedenfalls Gross et al., wäre das wohl nicht passiert. So ganz sicher bin ich da zwar nicht, aber die Ergebnisse, die sie in dem neuen Paper präsentieren, sind schon eindrucksvoll. Wie bei den Pentacen-Bildern erzeugt die modifizierte Spitze eines Rasterkraftmikroskops das Bild, indem sie das auf einer Oberfläche liegende Molekül buchstäblich abtastet. Die Sonde besteht aus einer kleinen Metallfeder, die mit einer bestimmten Frequenz vibriert. Je nachdem wie stark die Wechselwirkung mit der Oberfläche ist, ändert sich diese Frequenz.


Diese Methode ist so sensibel, dass man mit ihr Strukturen auf Metalloberflächen im atomaren Maßstab kartieren (und manipulieren) kann. Für einzelne Moleküle ist allerdings eine höhere Auflösung erforderlich: Eine normale Sondenspitze aus Metall ist zu breit und unregelmäßig, um Bindungen zwischen Atomen darzustellen. Gross und Kollegen kleben deswegen einfach ein einzelnes Molekül Kohlenmonoxid hochkant an die Spitze, so dass sie sicher sein können, dass ihre Sonde genau ein Atom breit ist. Das reicht, um die Bilder zu erzeugen, die ihr hier seht.


Mit dem Rasterkraftmikroskop aufgenommenes Bild von Cephalandol A und mit darübergelegter Strukturformel. Aus Gross et al.

Für den Anfang ist das gar nicht schlecht. Man kann zum Beispiel das Grundgerüst des Moleküls erkennen und auf den ersten Blick sehen, dass das untersuchte Molekül nicht die Struktur 3 oder 4 haben kann. Leider ist der sauerstoffhaltige Lactonring, dessen Struktur ebenfalls unklar ist, nicht gut aufgelöst. Die Autoren führen das entweder auf die besondere elektronische Umgebung an dieser Stelle des Moleküls zurück oder alternativ darauf, dass das Molekül in sich verdreht ist und nicht ganz flach auf der Unterlage liegt.


Letzteres erscheint mir plausibler, obwohl noch nicht so ganz klar ist, wie sich Heteroatome bei diesem Verfahren Verhalten. Auf jeden Fall zeigt der Stickstoff im Indol einen geringeren Kontrast zur Umgebung als der Rest des Moleküls, während das Imin gut zu sehen ist. Etwas Vergleichbares würde ich dann auch bei C-O-C und C=O erwarten. Dass keine dieser beiden Gruppen zu erkennen ist, deutet eher darauf hin, dass dieser Teil des Moleküls insgesamt nicht flach auf dem Substrat liegt, sondern gekippt ist.


Die Autoren haben es natürlich trotzdem geschafft, die beiden verbleibenden möglichen Strukturen zu unterscheiden, und zwar mit Hilfe der Struktur der Unterlage. Die Moleküle liegen auf einer dünnen Schicht Kochsalz, die regelmäßig strukturiert ist und auf der ein Molekül nicht beliebig herumliegen kann, sondern bestimmte Positionen einnehmen muss. Indem sie die Position der Moleküle relativ zum Kristallgitter vermessen und anschließend mit einem geeigneten Computermodell verglichen haben, sind Gross et al. dann tatsächlich zu dem Schluss gekommen, dass Struktur 1 dem gesuchten Cephalandol A entspricht. Mit dem kleinen Schönheitsfehler, dass sie das vorher schon wussten. Aber es ist wohl nur eine Frage der Zeit, bis das Verfahren an einem wirklich unbekannten Molekül getestet wird.

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Gross, L., Mohn, F., Moll, N., Meyer, G., Ebel, R., Abdel-Mageed, W., & Jaspars, M. (2010). Organic structure determination using atomic-resolution scanning probe microscopy Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.765
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Pakistan: Die Folgen der Flut - mit Spendenaufruf

by Lars Fischer in Fischblog

Es zeichnet sich inzwischen ab, dass die Monsunflut von Pakistan eine der größten Naturkatastrophen der jüngeren Geschichte ist. Schon jetzt stellen die Ereignisse am Indus prominentere Ereignisse wie den Weihnachtstsunami 2004 in den Schatten, und dabei ist das gesamte Ausmaß der Katastrophe noch kaum zu ermessen. Anhaltender Regen hat zehn Tage nach den ersten Höchstständen, über die ich vor einer Woche schon geschrieben habe, eine zweite Flutwelle erzeugt, die sich nun ebenfalls auf das Tiefland zu bewegt. 


Dieses zweite Hochwasser erreicht nicht ganz den Pegelstand der ersten Welle, dafür scheint es deutlich länger zu dauern bis diese Flut durchgezogen ist. Die erste Welle hat indessen die Provinz Sindh erreicht. Am Sperrwerk von Sukkur, der drittgrößten Stadt der Region, ist das Hochwasser so extrem, dass es vier Tage lang die Kapazität der Messeinrichtungen überstieg. Der Damm ist für einen maximalen Fluss von 900.000 cusecs ausgelegt, teilweise dürfte die aktuelle Indus-Flut dort allerdings deutlich über 1,3 Millionen cusecs erreicht haben.



Wie dramatisch die Lage in der Ebene ist, verdeutlicht das Satellitenbild: Der Indus füllt sein Flusstal derzeit völlig aus und drückt Wasser weit in die Ebene hinein. Besonders bemerkenswert ist die Seenlandschaft, die sich südlich der Stadt Sibi gebildet hat – in der Wüste.





Bild: NASA


Wegen des nach wie vor starken Regens in den letzten Tagen ist auch an den zuerst betroffenen Oberläufen die Lage nicht besser als vor einer Woche. Angeblich hat eine Flut ein ganzes Dorf vernichtet als ein aufgestauter See seinen durch Erdrutsche entstandenen Damm durchbrach. Erdrutsche und Hochwasser haben vor allem beträchtliche Teile der Infrastruktur zerstört oder blockiert, so dass ganze Landstriche derzeit mehr oder weniger von der Außenwelt abgeschnitten sind. Es wird wohl noch Wochen dauern bis man absehen kann, wie viele Tote es im gebirgigen Norden tatsächlich gegeben hat.


Doch mit dem Ende der Flut beginnt die eigentliche Krise erst. Wenn sich das Wasser zurückzieht, hinterlässt es zerstörte Straßen und Häuser, Totes Vieh, vernichtete Ernten und verschmutzte Brunnen. Diese Nachwirkungen werden nicht nur die direkt betroffenen Menschen, sondern die gesamte Region auf Jahre hinaus beschäftigen. Schon jetzt sind über 14 Millionen Menschen direkt von der Flut betroffen. Die Folgen der Katastrophe haben das Potential, die politische und soziale Situation in dem noch nie allzu stabilen Staat – immerhin eine Atommacht – dramatisch zu verschärfen.


Neben den direkten ökonomischen, sozialen und politischen Folgen einer so ausgedehnten Überschwemmung drohen langfristige gesundheitliche Effekte. Durch den Mangel an sauberem Trinkwasser grassieren in den betroffenen Gebieten bereits Cholera und Durchfallerkrankungen, die wegen der schlechten Versorgungslage vor allem Kindern, Alten und Kranken zum Verhängnis werden. Infektionskrankheiten verbreiten sich in beengten Notunterkünften natürlich besonders gut.


Auch nach dem Ende der Flutphase wird sauberes Trinkwasser für lange Zeit ein Problem bleiben – selbst unter normalen Umständen leidet Pakistan unter Wassermangel. Ursache sind paradoxerweise abnehmende Regenfälle und damit schwindende Grundwasserreserven, aber auch die schlechte Infrastruktur trägt dazu bei. Ich gehe davon aus, dass die Flut Teile des Systems beschädigt oder verschmutzt und so vielerorts die Lage verschärft.


Eine weniger bekannte, aber durchaus reale Gefahr besteht durch Schimmel und Bakterien in Gebäuden, die für eine gewisse Zeit unter Wasser gestanden haben. Eine Viertelmillion Häuser, heißt es, wurden allein in Punjab und der Nordwest-Provinz zerstört oder beschädigt. Nur ein Teil von ihnen wird neu aufgebaut oder gründlich getrocknet. In den übrigen verbleibt Feuchtigkeit in Böden und Wänden, die dadurch schimmeln und eine echte Gesundheitsgefahr darstellen.


Schwerer einzuschätzen, aber dadurch keineswegs weniger bedeutsam sind die sozialen und psychologischen Effekte auf die Opfer. Allgemeine Krankheitssymptome sind häufig bei Flutopfern und gehen nur zum Teil auf die tatsächlichen physischen Bedingungen zurück. Betroffene klagen über starken Stress, der seinen Tribut fordert – anekdotische Berichte nennen gravierende Effekte bis hin zu überwunden geglaubten schweren Erkrankungen wie Krebs, die als Reaktion auf die Flut zurückkehren. Angst, Verlust und Hilflosigkeit durch die Flut sind traumatisierende Erfahrungen, die oft schwer zu überwinden sind, insbesondere für Kinder.
Studien unter anderem aus Großbritannien zeigen, dass vergleichsweise wenige Betroffene in den folgenden Monaten vollständig über das Erlebte hinwegkommen – und das bei vergleichsweise kleinen Fluten in Europa, mit ausreichend Rettungskräften medizinischer Versorgung und Hausratsversicherungen.


Durch das enorme Ausmaß der Katastrophe und die große Zahl der Betroffenen droht nun in Pakistan eine beispiellose humanitäre Katastrophe, die das Land nicht alleine bewältigen kann. Die Opfer brauchen medizinische Hilfe, Unterkünfte, Lebensmittel und Wasser, bis sich die Lage wieder normalisiert – wenn sie sich denn normalisiert. Atommacht, Taliban und so…


Trotz der dramatischen Lage steht bisher insgesamt sehr wenig Geld zur Verfügung, vor allem wenn man das Spendenaufkommen nach früheren Katastrophen dieser Größenordnung in Betracht zieht. Wir dürfen Pakistan nicht hängen lassen! Die Ärzte ohne Grenzen sind derzeit in Pakistan aktiv und betreiben dort mehrere mobile Kliniken für die Hochwasseropfer. Neben medizinischer Hilfe wird vor allem sauberes Trinkwasser benötigt, auch die Versorgung mit Lebensmitteln ist inzwischen gefährdet.



Ärzte ohne Grenzen – Spendenkonto

Welt.de | Liste mit Spendenkonten anderer Hilfsorganisationen


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Tapsell, S., Penning-Rowsell, E., Tunstall, S., & Wilson, T. (2002). Vulnerability to flooding: health and social dimensions Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 360 (1796), 1511-1525 DOI: 10.1098/rsta.2002.1013
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Determining the structure by looking at the molecule

by Lars Fischer in EuCheMS 2010 Blog

In many cases it is notoriously difficult to determine the exact structure of a molecule, especially with larger ones. Stereocenters tend to make things worse, and interesting molecules tend to have several of them. Have you ever sat up to the neck in a pile of inconclusive spectra and wished you could just hold it [...]... Read more »

by Lars Fischer in EuCheMS 2010 Blog

I have been on to self-healing materials for some time, usually writing about them in my german blog or for newspapers and magazines. Self-healing is what makes biology superior to technology. Organisms don’t just have astonishing properties – materials have, too – but they retain them by constant regeneration and while doing so even adapt [...]... Read more »

Azobenzene photoswitching in vesicles

by Lars Fischer in EuCheMS 2010 Blog

The photoswitching capability of azobenzenes has recently been used extensively in photoreactive supramolecular materials. One of the most astonishing uses of azonenzene photoswitching is the reversible association of these molecules with certain cyclodextrines. Azobenzenes change their structure reversibly under irradiation. There’s a cis-form and a trans-form, and photoisomerisation happens reliably wavelengths of 350 (trans –> [...]... Read more »

Gab es eine Dinosaurier-Zivilisation?

by Lars Fischer in Fischblog

Die Dinosaurier waren etwa 170 Millionen Jahre lang – von der mittleren Trias bis zum Ende der Kreidezeit – die dominanten Landwirbeltiere auf diesem Planeten. Huhngroße gefiederte Nesträuber gab es in dieser Klasse ebenso wie bis zu hundert Tonnen schwere Pflanzenfresser. Eines jedoch haben die Dinos nicht hervorgebracht: Eine technische Zivilisation. Oder?

Erstaunlicherweise haben Forscher in den Gesteinsschichten der Kreide-Tertiär-Grenze vor 65 Millionen Jahren besondere Spuren gefunden, die auf diesem Planeten, so glaubte man bisher, erst mit der industriellen Revolution Einzug gehalten haben. Der Ruß, der in diesen Lagen gehäuft auftritt und bisher auf globale Waldbrände durch einen Meteoriten zurückgeführt wurde, enthält wenige Mikrometer große kugelförmige Partikel, die nur bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen.



Die These von den Waldbränden am Ende der Dinosaurier-Epoche krankte schon immer an dem Umstand, dass man erstaunlich wenig Brandreste und dafür viel unverbranntes Holz gefunden hat – mit den neuen Funden ist klar, dass ein beträchtlicher Teil des Rußes aus einer anderen Quelle kommen muss. Die fraglichen Cenosphären sind kleine Hohlkugeln, die in industrieller Flugasche häufig vorkommen und entstehen, wenn fein zerstäubte fossile Brennstoffe unvollständig verbrennen, zum Beispiel in Motoren und Kraftwerken. Was in der Natur brennt ist dagegen eigentlich nie fein verteilt.



Cenosphäre von der Kreide-Tertiär-Grenze.
Quelle: Harvey et al., Geology 36,
S. 355-358, 2010. DOI: 10.1130/G24646A.1

Nun stammt der bemerkenswerte Fund nicht aus irgendwelchen Gesteinen. Die rußige Schicht am Übergang der Oberkreide zum Paläogen markiert den kataklysmischen Schlussstrich: Hier beendete ein globales Massensterben die Ära der Dinosaurier und machte den Weg frei für den Aufstieg der Säugetiere, dessen vorläufiger Gipfel – oder Tiefpunkt – die globale Dominanz des Menschen darstellt. Über die Ursache des Auslöschungsereignisses wird nach wie vor gestritten. Die weithin akzeptierte These vom großen Chicxulub-Treffer wurde und wird immer wieder in Frage gestellt, insbesondere die Chronologie der Ereignisse. Es ist gar nicht so einfach zu belegen, dass der Himmelskörper genau zum Zeitpunkt des Aussterbens der Dinosaurier die Erde traf – und nicht etwa mehrere Hunderttausend Jahre zuvor, wie einige Forscher nach wie vor behaupten.

Der Fund der Cenosphären lädt allerdings zur Spekulation ein: Ist es nicht auffällig, dass auch dieses Vorkommen solcher Partikel mit einem Massenaussterben verbunden ist? Der Mensch jedenfalls verringert die biologische Vielfalt mit Hilfe fossiler Brennstoffe so effektiv, dass zukünftige Generationen wahrscheinlich vermuten werden, das sei von Anfang an der Sinn der Sache gewesen. In weiteren 65 Millionen Jahren jedenfalls wird unsere Epoche im Gestein kaum anders aussehen als der Exitus der Dinosaurier: Ein ungewöhnlich rußiger Streifen mit hohen Konzentrationen seltener Metalle. Und Cenosphären.


Zumindest das naheliegende Gegenargument, dass man bis jetzt keine anderen Hinweise auf eine technische Zivilisation gefunden habe, ist wenig stichhaltig. Auch von unserer Technik wird wenig übrig bleiben, das dauerhaft an uns erinnert. Wie unsere Hinterlassenschaften nach und nach verschwinden, kann man im wirklich lesenswerten Buch „Die Welt ohne uns“ von Alan Weisman nachlesen, das euch hiermit dringend ans Herz gelegt sei. Ich bin mit Weisman uneins, welche Spuren der Menschheit am langlebigsten sind – er sagt Autoreifen, ich sage Kloschüsseln – klar ist jedoch, dass kaum etwas menschengemachtes die nächsten fünf Millionen Jahre überleben wird, geschweige denn fünfundsechzig.


Was überlebt, sind Knochen. Für eine technische Zivilisation braucht ein Lebewesen gewisse anatomische Voraussetzungen – Delfine mögen schlau sein, aber mit Flossen kann man keine Schlagbohrmaschine bedienen, geschweige denn eine solche konstruieren. Wer dagegen ein menschliches Skelett findet, wird auch in 65 Millionen Jahren noch erahnen können, was man mit Händen alles anstellen kann.


Es ist aber gar nicht klar, ob ein solcher Überrest auftauchen würde. Schon was wir an Knochen von unseren mehr oder weniger direkten Vorfahren besitzen, besteht überwiegend aus kleinen Fragmenten und passt locker in einen Kleinlaster. Entsprechend unvollständig sind unsere Kenntnisse in der Sache, und das nach gerade mal vier Millionen Jahren.


Von den Dinosauriern trennt uns das Fünfundzwanzigfache dieses Zeitraumes: Hundert millionen Jahre, in denen Kontinente einander angerempelt haben wie Metaller in einem Moshpit. Die fossile Überlieferung ist, das kann man angesichts tausender Skelette und farbenprächtiger Dioramen in den Museen leicht mal vergessen, extrem lückenhaft. In der Paläontologie spricht man zum Beispiel vom „Middle Jurassic Gap“, einer eklatanten Fundlücke im mittleren Jura (pdf). Für diesen Zeitraum ist nicht einmal klar, welche Dinosauriergruppen auf den Bruchstücken des Superkontinents Pangäa lebten, geschweige denn welche Arten.



Moderne Cenosphäre.
Quelle: Harvey et al., Geology 36,
S. 355-358, 2010. DOI: 10.1130/G24646A.1

Kann durch diese Lücken eine komplette Zivilisation hindurchrutschen? Eine prähistorische Agrarkultur zweifellos, und ausgeschlossen ist das nicht einmal für eine globale Industriegesellschaft. Die materiellen Relikte einer Dino-Technik wären dank der bewegten Geschichte der Erdkruste längst vergangen, und eine vorzeitliche Industrie verriete sich bestenfalls in Form subtiler chemischer Spuren. Zum Beispiel Cenosphären.

Unglücklicherweise haben die Autoren der Publikation eine bessere Idee, woher die seltsamen Aschepartikel im Gestein kommen, und auch gute Argumente dafür. Sie sagen, dass die Kugeln entstanden, als der Chicxulub-Meteorit Gesteinsschichten mit sehr hohem Kohlenstoffgehalt traf. Dieses Gestein verdampfte beim Einschlag und verteilte die enthaltene organische Materie als feine, brennende Tropfen in der Atmosphäre, die als Cenosphären wieder auf die Erde herabregnete.


Das Gestein rund um die Impaktstelle enthält tatsächlich sehr viel Kohlenstoff, der in Form von Öl und Gas heutzutage intensiv gefördert wird, und die Cenosphären werden um so kleiner, je weiter man sich von Mittelamerika entfernt. Außerdem sehen die Partikel aus dieser Schicht völlig anders aus als ihre modernen Gegenstücke – ihre Oberfläche ist weniger porös und sie sind hellbraun. Cenosphären aus industrieller Flugasche sind immer schwarz.

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Harvey, M., Brassell, S., Belcher, C., & Montanari, A. (2008). Combustion of fossil organic matter at the Cretaceous-Paleogene (K-P) boundary Geology, 36 (5) DOI: 10.1130/G24646A.1
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A catalyst for axial chirality

by Lars Fischer in EuCheMS 2010 Blog

Axial-chirality or atropisomerism is a very useful property as demonstrated by various chiral catalysts containing BINOL, BINAP and similar groups, but not only there. Many important natural products like e.g. the antibiotic Vancomycin are also atropisomers, which makes this property a very important aspect of stereoselective chemical synthesis. Which is extremely difficult to achieve synthetically [...]... Read more »

by Lars Fischer in EuCheMS 2010 Blog

With increasing demand for effective separation of small-molecule gases – think of carbon caption and storage – there has been a lot of research recently into strategies and materials suitable for those applications. The traditional way to separate gases like nitrogen, oxygen or carbon dioxide is to freeze them out one by one, which is [...]... Read more »

Die Folgen der Ölpest – Teil eins: Die Lehren von Ixtoc

by Lars Fischer in Fischblog

Angesichts des Ausmaßes der Ölpest im Golf von Mexiko mag das verblüffen, doch die Deepwater-Horizon-Katastrophe ist nicht die erste ihrer Art. Ein Ölausbruch vor dreißig Jahren bietet interessante Parallelen zur heutigen Situation.



Rückblende ins Jahr 1979: Seit Dezember des Vorjahres bohrte die staatliche mexikanische Ölgesellschaft PEMEX vor der Stadt Campeche in Yucatan in etwa 50 Metern Wassertiefe nach Öl. Diese Ixtoc I genannte Bohrung hatte bis zum 2. Juni eine Tiefe von 3600 Metern erreicht, als plötzlich der Bohrschlamm im umliegenden Gestein zu verschwinden begann.


Das deutet auf Risse im Gestein hin, und die Arbeiter zogen den Bohrstrang aus dem Loch, um das Loch mit Zement zu verfüllen. Dazu kam es aber nicht, denn ihnen kamen zuerst Bohrschlamm und dann Öl und Gas entgegen, es gab eine große Explosion und die Bohrinsel sank. Öl strömte aus dem Loch am Meeresboden ins Meer, 297 Tage lang, insgesamt geschätzte 3,3 Millionen Barrel. Das ist etwa vier mal so viel wie bis jetzt aus dem Deepwater-Horizon-Leck geströmt ist.



Deepwater Horizon ist jedenfalls nicht das erste monatelang sprudelnde Unterwasser-Loch und auch was die ausgelaufene Menge angeht nicht beispiellos. Das mag angesichts des Ausmaßes der Ölpest verblüffen, aber tatsächlich hatten wir so etwas ähnliches schon einmal. Und aus dem historischen Beispiel kann man einiges über Deepwater Horizon ableiten.





Ixtoc I sprudelte 297 Tage. Das Gas verbrannte vor Ort. Bild Olof Lindén, aus: Jernelöv, Lindén. Ambio, Vol. 10, No. 6, The Caribbean (1981), S. 299-306.


Das 1979 am Meeresgrund austretende Öl formte bildete an der Wasseroberfläche eine ein bis vier Zentimeter dicke Schicht einer Emulsion. Etwa zehntausend Tonnen oder fünf Prozent der Gesamtmenge konnten die Rettungskräfte deswegen direkt vor Ort abschöpfen, während das Gas direkt verbrannte. Das Ixtoc-Öl war, wie das von Deepwater Horizon, verhältnismäßig leicht, mit einem großen Anteil flüchtiger Substanzen, die in den Tagen nach dem Erreichen der Oberfläche langsam verdunsteten.


Wie Öl verschwindet: Lösen, verdampfen, verwittern
Etwa die Hälfte des 1979 ausgelaufenen Öls, schätzen Wissenschaftler, hat sich daher einfach im Laufe der Zeit verflüchtigt oder wurde chemisch und biologisch abgebaut. Es hätte sogar noch mehr sein können, allerdings verhinderte die Emulsion weitere Verdampfung. Durch die Verwitterung des Öls an der Luft verschwinden vor allem die giftigsten Bestandteile aus dem Öl, so dass die zurückbleibende Masse im Laufe der Zeit harmloser wird. Das ist vor allem deswegen relevant, weil es eine Weile dauert, bis Öl von einer Hochseequelle an die Küste gelangt.


Ein Teil des Öls hat sich damals auch im Wasser gelöst. Das betraf mengenmäßig nur einen Bruchteil, allerdings dafür insbesondere sehr toxische kleine Moleküle wie Benzol. Das erreichte nach der Ixtoc-Havarie Konzentrationen über 100 Mikrogramm pro Liter und war noch 40 Kilometer entfernt im Wasser nachweisbar war. Analog zeigen historische Daten anderer Ölunfälle, dass Bestandteile des Öls besonders im Gewebe von Muscheln auch noch in Bereichen nachweisbar sind, in denen keine sichtbare Verschmutzung an der Wasseroberfläche auftrat. Leider gibt es keine entsprechenden Untersuchungen zu Ixtoc 1, so dass wir nicht so genau wissen, was mit den gelösten Schadstoffen geschah.


An der Wasseroberfläche
Schwimmendes Öl verwittert im Laufe der Zeit und wird nicht nur schwerer, sondern auch zäher und spröder, weil es nach und nach immer mehr seiner leichten und flüchtigen Bestandteile verliert. Etwa ein Viertel des aus der Ixtoc-Quelle ausgelaufenen Öls erreichte nie die Küste und ging diesen weg. Es wurde von den Wellen in kleine Tropfen und Fetzen zerschlagen, an die sich organische Partikel anlagerten und es noch schwerer machten. Die kleinsten Partikel wurden von Plankton und anderem Meeresleben gefressen und wieder ausgeschieden. Das sukzessive schwerer werdende Öl sank dann irgendwann Richtung Meeresgrund. Studien deuten darauf hin, dass speziell schwerflüchtige Teerbestandteile recht schnell auch von der Oberfläche in die Tiefsee transportiert werden können. Was sie dort unten anrichten ist weitgehend unbekannt.


Am Strand
Die sichtbarste Folge einer Ölpest ist natürlich der Saum schwarzer Schmiere, die an den betroffenen Küsten zurückbleibt. Vom aus der Ixtoc-Quelle ausgelaufenen Öl landeten etwa 30.000 Tonnen an Mexikos Stränden, während geschätzte 4000 – 10.000 Tonnen an der texanischen Küste angespült wurden. Die damals betroffene Küste besteht fast ausschließlich aus Sandstrand, was sich als glücklicher Umstand erwies, denn schon der erste Herbststurm vermischte das Öl mit Sand und spülte es vom Strand weg. Damit blieb den betroffenen Regionen einiger Ärger erspart. Wie wir aus der Havarie der Exxon Valdez gelernt haben: Wenn das Öl erst einmal irgendwo klebt, dann bleibt es da auch. Versuche, die ölverschmierten Felsen Alaskas mit Seife zu reinigen, haben jedenfalls mehr Schaden angerichtet als genützt.





Bleibende Schäden?
Über die langfristigen Folgen der Ixtoc-Ölpest für die Ökosysteme der Küsten gibt es meines Wissens nur eine Untersuchung vor der texanischen Küste, die eine allgemeine Abnahme der Biomasse, aber keine Veränderung der Artenzusammensetzung aufzeigt. Die Erfahrungen mit Tankerunglücken und anderen Ölunfällen zeigen allerdings, dass Öl gerade in küstennahen Sedimenten ein großes Problem darstellt, besonders für Tiere, die organische Partikel aus dem Sediment fressen (z.B. Würmer). Gänge grabende Tiere wie Krebse oder Schnecken müssen ebenfalls bluten, und es sind Fälle bekannt, in denen diese Tiere wegen des vergrabenen Öls ihr Verhalten änderten. Unnötig zu erwähnen, dass Öl im Sediment sehr lange bestehen kann, in schlammigen Böden mehr als ein Jahrzehnt.


Insgesamt allerdings hat der westliche Golf von Mexiko die Ixtoc-Ölpest recht gut überstanden. Schon zwei Jahre später wurde die Krabbenfischerei in Texas wieder aufgenommen, die Strände waren durch Stürme gesäubert und im Jahr 1983 stellte eine Studie fest, dass eventuelle Veränderungen an den regionalen Ökosystemen wohl nicht auf das Öl, sondern andere Faktoren zurückzuführen seien.


Entwarnung also auch für die aktuelle Ölpest - wird der Golf vom Mexiko die aktuelle Verschmutzung ebenso wegstecken können wie die vor dreißig Jahren? Eine Übersicht über Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen beiden Ölkatastrophen gibt es im morgigen zweiten Teil.


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Teal, J., & Howarth, R. (1984). Oil spill studies: A review of ecological effects Environmental Management, 8 (1), 27-43 DOI: 10.1007/BF01867871
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