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Organische Chemie

Elektrochemische Synthese – Naturstoffe und deren Synthese – photokatalytische Redoxchemie – Farbstoffe – Nanostrukturen – Wirkstoffe – asymmetrische Katalyse und mehr. Flüssigkristalle Die Materialeigenschaften von Flüssigkristallen (LC) lassen sich nahezu beliebig mit Moleküleigenschaften kombi...

Die am Meeresboden weitverbreiteten Schwämme (Porifera) gelten als die primitivste Klasse der mehrzelligen Tiere. Dennoch vollbringen sie erstaunliche Dinge, stellen etwa Glasfasern bei Normaltemperatur her und beherbergen bestimmte Mikroorganismen. Auch als Bioindikatoren für die Wasserqualität und als Sammler von DNA-Proben können sie uns nützen.
Schwammtaucher haben seit Jahrtausenden Schwämme vom Meeresboden geerntet, ohne viel darüber nachzudenken, dass diese lebende Tiere sind. Im alten Rom erfüllten Schwämme die Funktion, für die später das Toilettenpapier erfunden wurde. Das Einführen synthetischer Materialien im 20. Jahrhundert hat wahrscheinlich einige Schwammarten vor dem Aussterben bewahrt.Heute nutzt die Wissenschaft diese Tiere besser. Zum Beispiel bieten sie ein einzigartiges Fenster in die Urzeit der Evolution mehrzelliger Tiere vor etwa 540 Millionen Jahren, als fast gleichzeitig Vertreter fast aller heutigen Tierstämme auftauchten. Bereits 100 Millionen Jahre vorher begann der Rest der Tierwelt, einen Körperbau mit Organen, Nervensystemen und anderen Neuerungen zu entwickeln; der Vorfahr der heutigen Schwämme dagegen blieb bei seinem einfacheren Leben mit nur zwei Zelltypen. Fossilien im Burgess-Schiefer, 506 Millionen Jahre alt, lassen sich zweifelsfrei den Schwämmen zuordnen. Seit mehr als einer halben Milliarde Jahre leben diese also am Meeresboden und filtern das Wasser.<h2>Lebende Messstationen</h2>Schwämme filtern im Verhältnis zu ihrer Größe bis zu 10 000 Litern an Meerwasser pro Tag1) und scheiden Nährstoffe daraus ab. Deshalb sind sie den Umweltbedingungen am Meeresboden stärker ausgeliefert als andere Tierarten, die sich vor der Umwelt schützen und ihre Nahrung gezielt suchen. Viele Schwämme reichern auch Sandkörnchen an, die sie fester machen.Das brachte die Arbeitsgruppe von Gert Wörheide an der LMU München auf die Idee, Schwämme als Bioindikatoren zu nutzen: Sie sollen zeigen, wie stark das Meerwasser mit Mikropartikeln belastet ist. Die Forscher nahmen Proben von 15 Tieren aus fünf Schwammarten, die in den seichten Gewässern Indonesiens weit verbreitet sind und Partikel aufnehmen.Mit histologischen Untersuchungen und Ramanspektroskopie identifizierten die Forscher die Mikropartikel, welche von den Schwämmen aufgenommen wurden – und das sind neben den üblichen Sandkörnern Partikel anthropogenen Ursprungs, darunter Baumwolle, Titandioxid, Plastik und blaue Pigmente.2)Ob ein Schwamm ein Partikel aufnimmt und wohin dieses im Gewebe gelangt, schien ausschließlich von der Partikelgröße abzuhängen. Die Schwämme zeigten keine Vorliebe für bestimmte Materialeigenschaften. Deshalb, so folgerten die Münchner Forscher, würden sie sich gut als lebendige Sammelstationen eignen, um partikuläre Verschmutzung am Meeresboden zu erfassen.Auch um chemische Verunreinigung und Wasserqualität im Allgemeinen zu ermitteln, sind Schwämme als Indikatoren vorgeschlagen worden. Am überraschendsten ist vielleicht die Entdeckung, dass sie DNA aus ihrer Umgebung sammeln und damit als Indikator für die Artenvielfalt dienen.<h2>DNA-Spuren</h2>Stefano Mariani an der University of Salford in Manchester, Großbritannien, und Team haben die Polymerasekettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) benutzt, um DNA von zahlreichen Wirbeltierarten in Schwämmen nachzuweisen.3) Hierzu nutzten sie PCR-Primer-Sequenzen, die für Wirbeltiere typisch sind, die aber die DNA der Schwämme selbst und mikrobieller Meeresbewohner ausschließen. Verständlicherweise gingen ihnen dabei zahlreiche Fischarten ins analytische Netz. Aber sie fanden auch Genomfragmente von Weddellrobben (Leptonychotes weddellii) und Zügelpinguinen (Pygoscelis antarcticus).DNA-Spuren in den Ozeanen zu erfassen ist inzwischen ein wichtiges Werkzeug, um die Entwicklung der Artenvielfalt zu beobachten und verborgen gebliebene Arten zu entdecken. Anstelle mechanischer Gerätschaften, so hat Mariani vorgeschlagen, könnten Schwämme oder auch freischwimmende Filtrierer wie Quallen als umweltfreundliche DNA-Sammelstationen dienen.Möglicherweise nützlich für den Menschen ist die Fähigkeit vieler Schwämme, ein Skelett aus Glasnadeln herzustellen. An der Abscheidung des Siliciumdioxids ist das Enzym Silicatein beteiligt. Forscher hatten es im Jahr 1999 entdeckt, aber es ließ sich röntgenkristallographisch nicht darstellen. Erst im letzten Jahr erstellten Forscher am B-Cube-Zentrum für Biotechnologie der TU Dresden eine Struktur in atomarer Auflösung, und zwar durch serielle Kristallographie, also Verrechnung zahlreicher Schnappschüsse, aus den innerhalb der Glasnadeln kristallin vorliegenden Proteinen.4,5)<h2>Mikrobiom</h2>Auf und in Schwämmen sind nicht nur Plastikpartikel und Fremd-DNA, sondern auch jede Menge Mikroben. Dass diese nicht zufällig dort sind, sondern ein artspezifisches Mikrobiom darstellen, ist erst in den letzten Jahren klar geworden.Dass nicht beliebige Mikroben auf Schwämmen vorkommen und dass diese nicht von Algen überwuchert werden, hat einen besonderen Grund: Schwämme haben ein Arsenal chemischer Abwehrstoffe entwickelt, von denen einige als Antibiotika oder Medikamente interessant sein könnten.Wenn die Schwämme viele Arten von Lebewesen mit Abwehrstoffen vertreiben, aber bestimmte Mikroben tolerieren, dann weist das darauf hin, dass sie von diesen mikrobiellen Gästen profitieren – ebenso, wie die Bakterien in unserem Darm zu unserer Ernährung beitragen. Gut erforscht sind inzwischen die Mikrobiome leicht zugänglicher und weit verbreiteter Arten von Hornkieselschwämmen (Demospongiae) in flacheren Gewässern.Die Arbeitsgruppen von Ute Hentschel am Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel und Peter Schupp an der Universität Oldenburg haben das Gebiet vor kurzem erweitert. Dazu haben sie die Mikrobiome von Hornkieselschwämmen und Glasschwämmen (Hexactinellida) aus tieferen Gewässern (472 bis 4160 m) im Südpazifik genetisch charakterisiert und mit bekannten Daten verglichen.6) Um zufällig aufgeschnappte DNA von der Analyse auszuschließen, benutzten die Arbeitsgruppen auch quantitative PCR.<h2>Im Tiefen fast wie im Flachen</h2>Wie die Untersuchungen zeigen, ähnelt die Zusammensetzung des bakteriellen Mikrobioms der Hornkieselschwämme in der Tiefsee in seiner allgemeinen Zusammensetzung und Artenvielfalt den bereits bekannten Gemeinschaften aus flacheren Gewässern. Ein wesentlicher Unterschied ist die Abwesenheit von Cyanobakterien in der Tiefe. Da diese auf Photosynthese spezialisiert sind, war dieser Befund zu erwarten. Die auf Schwämme spezialisierten Poribacteria waren in der Tiefe weniger stark vertreten.Bei den Glasschwämmen, zu deren Mikrobiota es bisher keine Daten gab, fanden die Untersuchungen eine geringere Artenvielfalt an Bakterien und überwiegend Gammaproteobakterien. Nur zwei Arten von Glasschwämmen haben ein breiteres Spektrum an Bakterien, das der Vielfalt bei Hornkieselschwämmen ähnelt.Beide Gruppen von Tiefseeschwämmen hatten allerdings mehr Archäen in ihrem Mikrobiom als die bisher untersuchten Hornkieselschwämme. Vorherrschend sind offenbar die Archäen aus der Familie Nitrosopumilaceae (Stamm Thaumarchaeota). Diese sind auf Ammoniakoxidation spezialisiert und könnten somit für die Versorgung ihrer Wirte mit Stickstoff wichtig sein. Die Einzelheiten der Zusammenarbeit und wechselseitigen Abhängigkeiten dieser Tiefseemikrobiome mit ihren Wirten müssen aber noch erforscht werden.Dies könnte sich allerdings schwierig gestalten. Denn zu den Lebensbedingungen in der Tiefsee gehört der hohe hydrostatische Druck, in 4000 Metern Tiefe etwa 400 bar. Leichter zu untersuchen sind da die Flachwasserschwämme, von denen manche auch in Aquarien gehalten werden.An einem beliebten Aquariumschwamm, Lendenfeldia chondrodes, untersuchten Sergio Vargas und Team von der LMU München experimentell, wie der Schwamm auf eine Erwärmung des Meerwassers reagiert, wie sie im Rahmen der Klimakatastrophe zu erwarten ist (31 °C statt der im tropischen Korallenriff normalen 26 °C). Wie die Untersuchung zeigt, ist das Mikrobiom dieser Schwämme gegenüber einer realistischen Erwärmung relativ widerstandsfähig.7)Gefahr für die Schwämme könnte allerdings der industrielle Abbau von Erzen in der Tiefsee bedeuten. Allein der aufgewirbelte Schlamm könnte die Schwämme in ihrer Überlebensfähigkeit beeinträchtigen. Und selbst das relativ einfache Einsammeln der Manganknollen, die auf dem Meeresboden liegen, könnte Schwammarten gefährden, die in diesen Gebieten und teilweise sogar auf den Knollen selbst leben. Zu diesem Schluss kam Thomas Dahlgren von der Universität Göteborg, der an der Beschreibung einer neuen Schwammart (Plenaster craigi) in einem potenziellen Abbaugebiet für Manganknollen beteiligt war.8)Nach Jahrtausenden der rücksichtslosen Ausbeutung der Tiere, die seit einer halben Milliarde Jahren den Meeresboden besiedeln, sollten die Menschen die Schwämme besser schützen. Zumal diese uns inzwischen im Meer nützlicher sind als im Badezimmer.Der promovierte Chemiker Michael Groß ist freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a><figure><img src="https://media.graphcms.com/0aZF4raWQ3aLDjHcWdhy"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Korallengarten mit Vasenschwamm (lila) in der Karibik. Quelle: John Anderson/AdobeStock</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/wfUOups2TRWPImpqL2v5"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Ein gelber Schwamm der Art Polymastia. Foto: Daniel Poloha/AdobeStock</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/36M2vVesS2mPTThxvhZx"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Ein azurblauer Vasenschwamm und orangefarbene Elefantenohrschwämme. Quelle: Focused Adventures/AdobeStock</figcaption></figure>
<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Schwämme leben seit mehr als einer halben Milliarde Jahren am Meeresboden, wo sie Wasser filtern.Sie reichern Fremdpartikel natürlichen und anthropogenen Ursprungs an, weshalb sie sich als Bioindikatoren eignen.Schwämme haben ein eigenes Mikrobiom. Stoffe daraus eignen sich möglicherweise als Medikamente.
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2 E. B. Girard, A. Fuchs, M. Kaliwoda et al., Environ. Pollut. A 2021, 268, 115851</li><li>
3 S. Mariano, C. Baillie, G. Colosimo, A. Riesgo, Curr. Biol. 2019, 29, R401</li><li>
4 S. Görlich, A. J. Samuel, R. J. Best et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2020, 117, 31088</li><li>
5 M. Groß, Chem. unserer Zeit 2021, 12</li><li>
6 G. Steinert, K. Busch, K. Bayer et al., Front. Microbiol. 2020, doi: 10.3389/fmicb.2020.00716</li><li>
7 S. Vargas, L. Leiva, G. Wörheide, Microb. Ecol. 2020, doi: 10.1007/s00248–020–01556-z</li><li>
8 S.-C. Lim, H. Wiklund, A. G. Glover, T. G. Dahlgren, K. S. Tan, Syst. Biodivers. 2017, 15, 507</li></ul>

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