Wasserabstoßung erster Schritt zum Leben an Land vor einer Milliarde Jahren

Koblenzer und Bonner Wissenschaftler konnten erforschen, wie sich die Fähigkeit, extrem Wasser abzuweisen - die in der Industrie tagtäglich eine große Rolle spielt - von bestimmten Bakterien bereits vor einer Milliarde Jahren über Grünalgen, Schleimpilze, Moose und Farne bis zu den Lotusblättern entwickelt hat. Bislang war man davon ausgegangen, dass diese Fähigkeit, die Superhydrophobie, erst vor etwa 500.000 Jahren ausgebildet wurde.

Auf dem superhydrophoben Biofilm des Cynobakteriums Hassallia bleiben Wassertropfen kugelrund stehen und transportieren die Zellfäden zur Verbreitung weiter. Bild: Wilhelm Barthlott/Universität Bonn

Auf dem superhydrophoben Biofilm des Cynobakteriums Hassallia bleiben Wassertropfen kugelrund stehen und transportieren die Zellfäden zur Verbreitung weiter. Bild: Wilhelm Barthlott/Universität Bonn

Wassertropfen perlen auf Oberflächen ab, reinigen dabei die Oberfläche und reduzieren den Befall mit Pilzsporen. Diese Selbstreinigung, den Lotuseffekt nutzen auch Cyanobakterien (Hassallia byssoidea), die ersten Lebewesen an Land, um sich vor Wasserfilmen und Konkurrenten zu schützen. Das berichtet eine Forschungsteam um die Biologen Prof. Dr. Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn und Prof. Dr. Eberhard Fischer von der Universität in Koblenz im Journal „Frontiers in Plant Science“. 

Auf dem extrem wasserabweisenden Biofilm des Cyanobakteriums Hassallia byssoidea bleiben Wassertropfen kugelrund stehen und transportieren die Zellfäden zur Verbreitung weiter. Pflanzen und andere Organismen haben seit fast einer halben Milliarde Jahre Strukturen und Mechanismen zur Besiedlung von Land entwickelt. In diesem Kontext dienen ihre Oberflächen, die entscheidende physikalische Schnittstellen mit der Umwelt, hauptsächlich als Barrieren gegen Wasserverluste.

Die Forscher zeigen an einen extrem wasserabweisenden Biofilm des austrocknungstoleranten Cyanobacteriums Hassallia byssoidea, dass der Ursprung der Superhydrophobie jedoch viel älter ist als bisher angenommen. Er könnte auf die Zeit vor rund ein bis zwei Milliarden Jahren zurückgehen. Das vielzellige Bakterium bildet algenartige Fäden aus, die Wasser optimal abstoßen und Wasserfilme verhindern. An den abrollenden Wassertropfen bleiben kurze Zellfäden hängen und sorgen für die Verbreitung des Organismus über eine Art Tröpfen-Infektion, die man als "Splash Dispersal“ bezeichnet. So überflutet, wird der Bakterienrasen nach etwa einem Tag benetzbar und wächst unter Wasser weiter. Wieder ausgetrocknet, ist er wieder wasserabweisend für das Leben an Land.

„Jetzt haben wir belastbare Daten für Cyanobakterien in terrestrischen Biofilmen, die von einem hydrophilen in einen stabilen superhydrophoben Zustand wechseln können – und wir gehen davon aus, dass die Superhydrophobie eine entscheidende evolutionäre Rolle beim Übergang fast aller Organismen an Land spielte,“ erklärt Prof. Dr. Wilhelm Barthlott.

Prof. Dr. Eberhard Fischer ergänzt: „Cyanobakterien gehören ja zu den ersten Lebewesen, die Photosynthese betreiben und damit für die Evolution der Atmosphäre, aber auch der echten Pflanzen von entscheidender Bedeutung sind.“

Die Wissenschaftler vermuten, dass die extreme Wasserabstoßung, die Superhydrophobie, und der damit verbundene Lotuseffekt ein zusätzlicher Faktor für den Übergang der Algen vom Wasser zum Land vor etwa 400 Millionen Jahren war. „Die Superhydrophobie verbessert den Gasaustausch an Land und schließt aquatische Konkurrenten in Wasserfilmen aus“, so das Forschungsteam.

In den Materialwissenschaften und der Oberflächentechnologie ist die massive Wasserabweisung ebenfalls zu einer der wichtigsten biologisch inspirierten Innovationen geworden. Sie ermöglicht es, Wasserfilme und Verschmutzung - etwa bei Fassadenfarben und Lacken - zu vermeiden.

Publikation: Barthlott, W., Büdel, B., Mail, M., Neumann, K.M., Bartels D. & E. Fischer: Superhydrophobic terrestrial Cyanobacteria and land plant transition, Front. Plant. Sci, https://doi.org/10.3389/fpls.2022.880439

 

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Datum der Meldung 29.06.2022 00:00