Schau: Neueste mikrobielle Entdeckungen verändern unsere Sichtweise auf das Leben auf der Erde.

Gumdrop mit einem Ohrring.

Das ist es, was mir in den Sinn kommt, wenn ich auf Sebastian Hess' Fotos eines plumpen, gewalttätigen einzelligen Lebewesens sehe, das er aus einem Teich mit reichlich sphagnummoos in Süddeutschland gesammelt hat. Die formwandelnde Amöbe, die nach Algenzellen zum Angreifen sucht, kräuselt ihren langen Strang eines Geißelhärchens zu einer ohrringähnlichen Schleife. Indem es die Schleife festhält, gleitet die Zelle irgendwie. Doch die Schleife zuckt, peitscht oder schwingt nicht. "Sie sehen im Grunde aus wie winzige fliegende Untertassen", sagt Hess.

Er hat die Wesen, ohne Artbezeichnung und mit einer verblüffenden Fortbewegungsform, 2010 zum ersten Mal gesammelt und hat sich jahrelang gefragt, wie die Fortbewegung funktioniert. Hess sucht und hegt solche einzelligen Wunder seit seiner Jugend mit einem mikroskopischen Zoo auf dem Fensterbrett. Als Erwachsener, der nun an der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland tätig ist, hat er sich auf die mikroskopische Gruppe spezialisiert, die seinen Zoo ausgestellt hat: die Protisten.

Diese große und vielfältige Gruppe einzelliger Lebewesen sind den vielzelligen Organismen genetisch am nächsten und umschließen ihr Erbmaterial in einem Zellkern, so wie es Tiere, Pflanzen und Pilze tun. Die Baum des Lebens-Darstellungen in Schulbüchern im Laufe des 20. Jahrhunderts und manchmal danach haben das Protistenreich oft zu einem untergeordneten Zweig unterhalb der glorreichen Krone der meist vielzelligen Reiche gemacht. Biologen denken jetzt etwas anders und größer als nur an Reiche.

Die moderneren Darstellungen umfassen heute mindestens zwei große Gruppen mikrobieller Lebewesen, die Domänen der Bakterien und Archaea (SN: 29.07.15) genannt werden. Ein dritter Bereich, der Eukaryota, vereint die Protisten und die einst stolzen "Baumkronen"-Reiche: die Tiere, Pflanzen und Pilze. Eine weitere Zusammenfassung könnte bevorstehen, da die gesamte Domäne der Eukaryoten, einschließlich der Protisten und der Menschen, die sie klassifizieren, ein Zweig der Archaea zu sein scheint.

Was die fliegenden Untertassen betrifft, haben Hess und seine Kollegen fast 10 Jahre lang daran gearbeitet, zu verstehen, wie sich eine solche Zelle so seltsam bewegt. Es handelt sich um eine Form der Fortbewegung, die in einem lebenden Wesen noch nie zuvor gefunden wurde, sagt Hess. Dieses toroidale oder "Donut"-Schwimmen inspirierte Hess und seine Kollegen im Jahr 2019 dazu, die neu entdeckte Art in ihre eigene neue Gattung - Idionectes, was etwa "seltsamer Schwimmer" bedeutet - einzuführen.

Noch mehr dazu, wie man wie ein Donut schwimmt, aber die Art Idionectes vortex ist ein gutes Beispiel dafür, wie die hochentwickelte Biologie und die altmodische Erkundung vor Ort eine wahre Entdeckungswelle für eine charismatische Gruppe winziger Lebewesen auf der Erde entstehen lassen. Diese einzelligen Organismen sind weit entfernt von langweiligen kleinen Punkten. Außerdem fügen sie dem Stammbaum des Lebens unerwartete Zweige und Äste hinzu.

Um nur einige Beispiele für neue Protisten aus dem Jahr 2023 zu nennen, hat eine im Juni benannte Art das einzellige Äquivalent eines rotierenden Kopfes. In dieser etwa kugelförmigen Zelle, die im Darm eines südamerikanischen Termiten entdeckt wurde, dreht sich die Oberseite kontinuierlich, ohne zu reißen oder sich selbst zu strangulieren. Die Entdecker wählten einen dämonisch inspirierten Namen, Daimonympha friedkini, inspiriert vom rotierenden Kopf des dämonisch besessenen Kindes im Film "Der Exorzist" von Regisseur William Friedkin aus dem Jahr 1973.

Andere neue Arten gehören zu den eigenartig aussehenden, aber ökologisch wichtigen Coccolithophoren. Diese Gruppe als Ganzes könnte bis zu 10 Prozent der Photosynthese in den Ozeanen ausmachen, indem sie Sonnenlicht in Nahrung für andere Lebewesen umwandelt. Jede Coccolithophoren-Zelle bedeckt sich mit winzigen Radkappen ähnlichen Gebilden. Eine der charakteristischen Merkmale der neu benannten Art Calciopappus curvus ist ein Paar daumenähnlicher Stummel auf einigen dieser Radkappen.

Forscher in China haben eine bemerkenswert kleine Art in der Gattung Euplotes, E. mazeii, benannt. Euplotes-Zellen haben mehrere Sätze dünner Fortsätze, sogenannte Cirri, die wie Strichzeichnungsbeine aussehen. Auch ohne Gehirn oder Nervensystem können die verschiedenen Arten von Euplotes ihre Beine mit genügend Koordination bewegen, um auf einer Unterwasseroberfläche zu laufen. Ingenieure, die nach Inspiration für Mikroroboter suchen, haben solche Bewegungsabläufe analysiert.

Auch lang bekannte Protisten haben den Reiz mikroskopischer Wildtiere. Wie Großkatzen und Eisbären verdienen viele dieser charismatischen Mikrofauna ihre eigenen Naturdokumentationen. Hess hat geholfen, einen seiner langjährigen Lieblingsprotisten, eine Art Lacrymaria, zu filmen. Diese hübsch anzusehende, tränenförmige Zelle jagt Beute, indem sie einen cartoonhaft langen Schwanenhals herausschießt, der sich auf mehr als das Siebenfache der ursprünglichen Körperlänge des Organismus erstrecken kann. Der Hals, mit einem kopfähnlichen Vorsprung am Ende, schlängelt sich so geschmeidig wie eine Schlange hin und her, bis eine plötzliche Attacke schließlich das Abendessen erwischt.

"Atemberaubend" ist Hesses Wort für Protisten. "Sie verhalten sich wirklich wie ganze Organismen. Aber sie sind nur Zellen."

Oder denken Sie an fünf neue Arten winziger, gefräßiger Zellen, die als Nibblerids bezeichnet werden. In ihrem hungrigen, sichelartigen Zustand sind sie nur etwa 3 Mikrometer im Durchmesser und beißen (sozusagen) ihre normalerweise größeren Opfer, indem sie sich mit einer speziellen Körperfurche auf sie zubewegen, die mit gehärteten, zahnartigen Teilen namens Denticles gepanzert ist.

Die Nibbleriden und ihre engsten bekannten Verwandten, die als nebuliden bezeichnet werden, repräsentieren eine so deutliche und alte Linie, dass sie ihren eigenen großen Zweig auf dem Eukaryoten-Stammbaum verdienen, berichtete der Evolutionsbiologe Patrick Keeling von der University of British Columbia in Vancouver und seine Kollegen im vergangenen Jahr. Keeling spricht leidenschaftlich über die Bedeutung von Raubtieren als mehr als nur Spaß beim Naturbeobachten. "Wenn man alle Löwen und Geparden töten würde", sagt er, "würde das ganze Ökosystem verrückt spielen." Das ist wahrscheinlich auch bei Protisten der Fall. Heute werden Protisten in Supergruppen sortiert, die größer sind als die klassischen Eukaryoten-Reiche und einen breiten und tiefen Einblick in die Evolution bieten. Die Amorphea-Supergruppe umfasst zum Beispiel alle Tiere und Pilze sowie einige einzellige Verwandte, einschließlich vieler Amöben. Die neue Supergruppe, benannt nach den Nibbleriden und Nebuliden, Provora genannt, deutet auf "verschlingende gierige Protisten" hin, schrieben Keeling und seine Kollegen. Auch Idionectes, trotz seiner ruhigen UFO-artigen Bewegung, ist ein furchterregender Räuber. Wenn es Algen zum Fressen findet, wird das gleitende Raumschiff zu einer angreifenden Amöbe. Es löst ein Loch in der Zellwand der Alge auf, ernährt sich aber nicht wie ein Tiger, der von außen das Fleisch zerfetzt. Stattdessen gleitet Idionectes durch das Loch in der Wand und ergießt sich in die zum Scheitern verurteilte Beutelzelle. Dann verschlingt dieser Jäger seine Beute von innen. Das Beobachten von Protisten könnte beängstigend sein, wenn sie größer wären. Oder wenn Menschen kleiner wären. "Wir verbringen so viel Zeit damit, uns vorzustellen, wie fremde Welten aussehen könnten", sagt Keeling. "Es gibt eine direkt vor unserer Nase, die seltsamer ist als alles, was wir uns vorstellen können." Er handelt nicht theatralisch. Betrachten Sie zum Beispiel die Art und Weise, wie winzige Protistenanhaftungen Wasser erleben. Es ist radikal anders als bei Riesenmenschen und anderen makroskopischen Schwimmern. Einzelne Zellen sind so winzig, dass die Eigenschaften von klarem Wasser sie auf evolutionären Pfaden kaum erkennbar für uns nach unten drängen. Tauchen Sie in einen Swimmingpool ein und "wenn Sie nicht strampeln, gehen Sie immer noch eine Weile vorwärts, bis Sie anhalten, oder?" sagt Keeling. Eine einzelne Zelle ist jedoch so klein, dass selbst die Viskosität des Wassers dazu führt, dass der winzige Schwimmer kaum gleitet (SN: 19.06.2009). Wenn es aufhört zu schwimmen, hört es einfach auf. "Es ist eher wie in Maissirup", sagt Keeling. Abgesehen davon, dass die Fortbewegung für vollständig große Menschen oder Jakobsmuscheln nutzlos ist, könnte sie einen winzigen Schwimmer antreiben. 1952 postulierte der Physiker Geoffrey Ingram Taylor, dass ein mikrobieller Schwimmer in Form eines Donuts sich durch eine Art nach innen gerichteter Rotation bewegen könnte. (Die Idee wird einem charmanten Vortrag von US-Nobelpreisträger und Physiker Edward Mills Purcell im Jahr 1976 zugeschrieben, aber Taylor kam vor Purcell.) Diese Rotation ist im Wesentlichen die Art und Weise, wie die Zelle Idionectes sich nach fast 70 Jahren nach Taylors Vorschlag bewegt, wie Hess und Kollegen mitteilten. Der lange, schnurartige Geißelkringeltsenkt sich zu einem so mageren, dünnsten Gebilde, das jemals als Donut bezeichnet wurde. Es ist weit mehr Loch als Teig, aber es ähnelt immer noch Taylors Vorstellung. In einem von Taylor entwickelten Diagramm steigen die Seiten eines Donuts durch das Loch, über den Rand und wickeln sich auf der anderen Seite für eine weitere Rutsche in die Mitte. Zuerst konnte Hess erkennen, dass seine Tropfenzellklar rotierten, aber als er die kahle Donutform der Geißel mit einfachen Mikroskopie betrachtete, "konnte man keine Bewegung erkennen", sagt er. Aber als er und seine Kollegen Unterwasserwirbelstürme aus Latexmikropartikeln in zäher Flüssigkeit erzeugten (eine Technik, die den Forschern einen Durchbruch acht Jahre nach ihren Bemühungen ermöglichte), sah Hess anhand der charakteristischen Partikelbewegungen, dass die Geißel sich drehte. Die ProtistIdionectes Vortex wurde 2010 entdeckt, aber erst kürzlich zeigten Wissenschaftler, dass sie sich durch toroidales Schwimmen bewegt. Ihre Geißel bildet eine Schleife wie ein Donut. Die Geißel und der kegelförmige Teil drehen sich beide (lila Pfeile). Vittorio Boscaro, in Keelings Labor an der University of British Columbia, hat ein weiteres Rätsel der Rotation. "Wir haben keine Ahnung, warum sie das tun", sagt er. Wir sind in einem Videogespräch, und er teilt seinen Bildschirm, um die neue Protistenart mit einem rotierenden Kopf, D. friedkini, zu zeigen. In den geisterhaften Grautönen des Lichtmikroskopie-Videos schwimmt eine klobige Zelle, deren Oberseite, wie ein großer knorriger Polarkappen, ständig rotiert. Es ist faszinierend.Im Jahr 2023 wurde die Entdeckung von D. friedkini in einem Artikel als "berühmt selten" bezeichnet. Bakterien können ihre Flagellen frei drehen, ohne sich dabei zu zerreißen, aber Zellen mit mehr eingebauten Strukturen schaffen das selten. Trotzdem war dies nicht der erste Kreisel unter komplexen Zellen. Durch die Analyse genetischen Materials konnten Forscher einen wahrscheinlichen Stammbaum der nahe und entfernt verwandten Arten erstellen. Seltsamerweise scheint dieses Tier nicht eng mit einer anderen Art mit einem rotierenden Kopf namens rubberneckia verwandt zu sein, über die Forscher seit 1974 sporadisch berichten. Die Erforschung von Protisten bedeutet, in Seltsamkeit zu leben. Dass die neue Art aus dem Darm eines Termiten stammt, war für Boscaro kein großes Problem, da Protistologen seit mehr als hundert Jahren Termiten ausweiden, um neue Arten von rotierenden Protisten (sowohl rubberneckia als auch D. friedkini gehören zu einer Gruppe namens Parabasalia) zu finden. Protisten sind überall. Kiran More, damals Bachelorstudent an der Dalhousie University in Halifax, Kanada, sammelte eine Menge von ihnen, als er 2016 eine Familienreise unternahm. Als der Sommer vor Mores letztem Studienjahr zu Ende ging, fuhr seine Familie durch die östliche Landschaft von Nova Scotia. Sie hielten in einem Dorf auf Cape Breton Island an, um eine Nachbildung des beliebten Schoners aus den 1920er Jahren zu bewundern, der auf dem kanadischen Zehncentstück abgebildet ist, und More schaufelte etwas Strand sand auf. Es dauerte nur ein paar Minuten; er hatte vorsichtshalber ein Set von Probenröhrchen dabei. "Ich habe es einfach von Hotelzimmer zu Hotelzimmer getragen und in den Minikühlschrank gesteckt, wenn es einen gab", sagt er. Als er zur Schule zurückkehrte, wurde der Schlick Teil seines Bachelorprojekts, bei dem nach unbekannten Arten von marinen Amöben namens Vampyrellidae gesucht wurde. Der Name mag Albträume hervorrufen, aber auch zwei von Mores wilden Funden sehen weniger nach Kiefer und Klaue als nach Bett und Frühstück aus. Sie ähneln einem Spiegelei. Obwohl sich der Körperbau von Vampyrelliden unterscheidet, ist in diesem Fall das "Weiß" des Eies die Struktur, die die äußere Hülle der Beute durchbricht, um die nahrhaften Inneren zu ernten. Beobachtet man eine kleine Algenzelle, die von Vampyrelliden gefangen wurde, sieht man, wie der Räuber gegen die Algenzelle drückt, bis das Opfer aufhört sich zu bewegen, und innerhalb von fünf bis zehn Minuten die inneren Bestandteile der sterbenden Zelle entleert. Mores einzige Probe gesammelten Sands ergab mindestens sieben sichtbar unterschiedliche Arten von Vampyrellid-Amöben. Placopus melkoniani und P. pusillus, Spiegelei-Vampyrelliden, die jetzt als neue Arten bezeichnet werden, jagen, indem sie sich vorwärts rollen. Ihre äußeren Membranen bewegen sich "wie ein Förderband", sagt More, oder wie die Raupe eines Panzers. "Man kann sehen, wie sich auch all ihre Zellinhalte drehen, während sich die äußere Membran dreht, was fast schön ist", sagt er. Im Jahr 2021 lieferte dieselbe Urlaubsprobe eine dritte neue Art. More, der inzwischen Doktorand in Systematik und Evolution an der University of Alberta in Edmonton, Kanada war, und seine Kollegen nannten diese neue Art Sericomyxa perlucida, was "transparenter seidenartiger Schleim" bedeutet. Sie ähnelt einem überfahrenen Federball mit exquisit zarten Büscheln. Und es war nicht nur eine neue Art in einer neuen Gattung, sondern repräsentierte auch eine ganz neue Familie. Jeder Ornithologe oder Säugetierkundler wäre begeistert von den Ergebnissen. Aber in der aufgeregten Welt der Protist-Entdeckungen war "ich enttäuscht", sagt More. "Ich war so entschlossen, eine Umgebungslinie zu finden, in der noch niemand zuvor etwas gesehen hatte." Als der schwedische Botaniker Carl Linnaeus, der im 18. Jahrhundert Gründer des biologischen Namenssystems der westlichen Wissenschaft war, einzellige Organismen untersuchte, war er darauf beschränkt, zu beobachten. Er nannte vergleichsweise wenige einzellige Organismen und ordnete die meisten einer Gattung namens Chaos zu. Die heutigen Biologen haben viele moderne technische Werkzeuge zur Verfügung, aber die Evolution des Lebens auf der Erde sieht immer noch chaotisch aus. Eine Art von Protist namens Cryptomonad hat laut einer in diesem Jahr veröffentlichten Studie sieben separate Gensätze. Drei der zusätzlichen Sätze stammen von kleinen Organellen, die von früheren frei lebenden Zellen abstammen, zwei von symbiotischen Bakterien, die offenbar unverzichtbar geworden sind, und ein weiterer von einem Virus, der mit einem der Bakterien mitreist. "Wir sind eine Abweichung", sagt Maureen O'Malley, Philosophin der Mikrobiologie an der University of Sydney, als ein mehrzelliges Geschöpf, das mit einem anderen spricht. In der modernen Auffassung des Lebens dominieren einzelne mikrobielle Zellen - darunter auch Protisten - den Planeten. Große mehrzellige Lebensformen sehen jetzt wie seltene Sonderlinge aus. Ein Vergleich aus dem Jahr 2018 schätzt, dass die Protisten der Erde doppelt so viel Kohlenstoff wie alle Tiere zusammen enthalten. Zusammen mit anderen Mikroben besitzen sie 40-mal so viel Biomasse.

Earth was entirely a microbe’s world for some 2.5 billion years or more, the majority of life’s history, O’Malley points out. We big multicellulars evolved on the backs of microbe innovations. Just a few examples: The oxygenated atmosphere came from cyanobacteria photosynthesizing 2.7 billion years ago. Even today an estimated half of the oxygen we breathe comes from microbial sources, not from plants. And plants’ ability to generate oxygen came from engulfing the microbial technology we know as chloroplasts.

Termites “eat” wood thanks to the protists packed into their guts. Tomato plants grow better with more of the predatory protists in the soil around their roots. Bobtail squid get the glow in their light organs from engulfed bacteria. Tsetse flies can’t sustain milk-feeding for their bizarre live-birthed young without specialized live-in bacteria to provide B vitamins. The list goes on and on for influential microbes. They shaped the world and keep us alive in it.

O’Malley sums up microbes as “the dominant life-forms not only in today’s world, but also in all past eras of the living Earth.” For bird watchers, wildflower lovers and nature enthusiasts of all stripes, truly seeing these invisibly small creatures for the first time can be like realizing dark matter exists. And not only that it exists, but that it makes up so much more of the universe than the supposed ordinary stuff.

New discoveries of protists and other microbial species and their ways of living are creating a very different view and appreciation for life in all its forms. With a few quirky exceptions — including us — to be an earthling is to be microscopic.

This article was supported by readers like you. Invest in quality science journalism by donating today.