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Im Allgemeinen assoziiert man „Algen“ mit glitschigen und oft übel riechenden Gebilden, die nach der Flut den Strand bedecken, oder die sich beim Schwimmen im Meer um die Knöchel wickeln. Hierbei handelt es sich jedoch meist um eine einzige Familie von Algen, die Tange (Braunalgen). Die Bezeichnung „Algen“ entstammt jedoch eigentlich der Umgangssprache und umfasst viele untereinander sehr verschiedene Gruppen von pflanzlichen Organismen, die von kleinen Einzelzellen (wenige Mikrometer lang) bis zu den oft riesigen Tangen (bis zu 100 m) reichen.

Die eukaryotischen Algen („Eukaryoten“ besitzen einen Zellkern, welcher die DNA, das Erbmaterial, beherbergt, während in „Prokaryoten“, also Bakterien, die keinen solchen Zellkern besitzen, die DNA quasi nackt in der Zelle vorliegt) repräsentieren die entwicklungsgeschichtlich erste erfolgreiche Pflanzengruppe, wobei sie fast ausschließlich an ein Leben im Wasser angepasst sind. Gemeinsam mit den früher als Blaualgen bezeichneten Cyanobakterien sind sie die wichtigsten Primärproduzenten in den Meeren und gleichzeitig die Hauptsauerstofflieferanten der Erde. Grund dafür ist ihre Fähigkeit, wie die Landpflanzen Photosynthese zu betreiben. Dabei umfaßt der Begriff „Photosynthese“ eine ganze Reihe komplexer Reaktionen, die Sonnenenergie in chemische Energie, meist in Form von Zuckern, umwandeln. Die dafür nötigen Elektronen werden dem Wasser (H2O) entrissen, wobei Sauerstoff (O2) frei wird. Ohne die Entstehung der oxygenen (also O2-bildenden) Photosynthese vor etwa 3 Milliarden Jahren und die damit verbundene Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre wäre die Evolution der heutigen O2-atmenden Lebewesen (wie auch des Menschen) gar nicht möglich gewesen.

In der heterogenen Gruppe der Algen findet man die verschiedensten Organisations-formen. Die Tange sind mit Körpern aus echten Zellverbänden mit am höchsten entwickelt, während andere Algen oft nur lange Zellfäden entwickeln. Die Algen, mit denen sich unsere Arbeitsgruppe befaßt, bestehen aus einzelnen Zellen, von denen jede den kompletten photosynthetischen Apparat besitzt.

Die Hauptdarstellerin unserer Arbeit ist die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii.

Sie gehört zu der Klasse der Grünalgen (Chlorophyceae), die den übrigen grünen Pflanzen näher stehen als anderen Algengattungen (wie z.B. die Rotalgen oder die Dinoflagellaten). So besitzen sie die gleichen Photosynthesepigmente (Chlorophyll a und b) und Carotinoidsorten (alpha-, beta- und gamma-Carotin, Lutein, Zeaxanthin u.a.).

C. reinhardtii gehört innerhalb der Grünalgen zu der Ordnung der Volvocales und ist ein Süßwasserbewohner. Mit Hilfe eines carotinoidhaltigen Augenflecks (Stigma) und einem in der Membran liegenden Photorezeptor kann Chlamydomonas Phototaxis betreiben (Licht registrieren und sich entsprechend der Lichtverhältnisse bewegen).

Wie die meisten Vertreter der Volvocales ist C. reinhardtii begeißelt: Die beiden apikalen Geißeln (Flagellen), die typischerweise 1,5- bis 2-mal so lang wie der Zellkörper sind, verleihen den Zellen höchste Beweglichkeit.

Die ovalen bis kugelförmigen Zellen von C. reinhardtii messen je nach Zellzyklus-Phase 8 bis 22 µm. Sie sind von einer Zellwand umgeben, die hauptsächlich aus speziellen Proteinen besteht, und im Gegensatz zu der typischen pflanzlichen Zellwand keine Cellulose enthält. Einzellige Grünalgen enthalten nur einen einzigen Chloroplasten. Dies ist ein kleiner Körper (auch Zellorganell genannt, also ein kleines „Organ“ innerhalb einer Zelle) in Pflanzenzellen, in dem die Photosynthese stattfindet. Die grünen Zellen der Landpflanzen enthalten stets mehrere Chloroplasten. Der einzige Chloroplast von Chlamydomonas füllt becherförmig die basalen zwei Drittel des Zellkörpers aus und umgibt teilweise den Zellkern.

C. reinhardtii ist ein wichtiger Modellorganismus in der botanischen Forschung. Man nennt diese Alge auch die „grüne Hefe“, denn sie teilt viele experimentelle Vorteile mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae, die ebenfalls zu einem Modellorganismus z.B. in der Erforschung des Zellzyklus geworden ist. C. reinhardtii besitzt einen einfachen, leicht zu manipulierenden Lebenszyklus und minimale Nährstoffansprüche. Die Zellen können in einer Mineralsalzlösung allein mit Licht und Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle wachsen und sich die nötige Energie allein durch Photosynthese erzeugen (dies nennt man photo-autotrophes Wachstum). C. reinhardtii kann jedoch auch Acetat (das Salz der Essigsäure) als zusätzliche Kohlenstoffquelle verwerten, was das Wachstum (das nun photo-heterotroph oder kurz mixotroph genannt wird) der Zellen stark beschleunigt.

Zusätzlich zu diesen Vorteilen, die C. reinhardtii mit der Hefe teilt, betreibt die Alge jedoch Photosynthese, besitzt Geißeln, und vermag sich mit Hilfe des Augenfleckes (Stigma) anhand des Lichts zu orientieren. So dient C. reinhardtii als pflanzlicher Modellorganismus für die Photosynthese, für die Funktion von Geißeln und für die Phototaxis.

C. reinhardtii gilt auch als Modellsystem für die Untersuchung pflanzlicher Reaktionen auf Nährstoffmangel, die nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern in besonderem Maße für die Landwirtschaft von Bedeutung sind. Auch hier erweist sich die einfache Handhabung der einzelligen Grünalge als Vorteil, da Nährstoffmangelbedingungen in definierten Kulturmedien bei den rasch wachsenden Zellen schnell zu messbaren Reaktionen führen.

Eine Eigenschaft macht diese kleine Alge für uns besonders interessant: Unter bestimmten Bedingungen bildet Chlamydomonas molekularen Wasserstoff (H2). H2 ist in den letzten Jahren ein allgemein bekannter Begriff geworden, denn auf der Suche nach regenerativen Energieformen gilt dieses hochenergetische Gas als Energieträger der Zukunft. In einigen Arten von einzelligen Grünalgen wie C. reinhardtii ist die H2-Produktion eine zusätzliche Stoffwechselfunktion, die in Landpflanzen nach allem bisherigen Wissen nicht vorkommt. Vielmehr läßt diese Eigenschaft einen Vergleich mit Bakterien zu, denn im Gegensatz zu eukaryotischen Lebewesen, unter denen der Umsatz von H2 sehr selten ist, ist der H2-Stoffwechsel im Reich der Bakterien weit verbreitet.

Die für diesen Metabolismus verantwortlichen Enzyme (Proteine) nennt man „Hydrogenasen“ (von „hydrogen“ = engl. Wasserstoff). In Grünalgen sind diese Enzyme mit der Photosynthese gekoppelt. Dies ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die Erforschung und Entwicklung regenerativer Energien äußerst interessant. Die Hydrogenase stellt eine Erweiterung der photosynthetischen Reaktionen dar, und der H2-Metabolismus von einzelligen Grünalgen macht wieder einmal eine Erweiterung der in Lehrbüchern immer noch als bloßes „Z-Schema“ dargestellten photosynthetischen Reaktionskette nötig. Weiterhin wird die H2-Produktion in Grünalgen durch Sonnenlicht angetrieben und von Wasser gespeist, was sie zu der regenerativen Energiequelle schlechthin macht.

 

 

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