Leben im Takt der Gezeiten
Die Tiefseemuschel Bathymodiolus azoricus prägt in 1.700 Metern Tiefe das Ökosystem der Hydrothermalquellen. Ihre Lebensbedingungen sind für Menschen extrem: Die Muscheln besiedeln den Meeresboden rund um die Schlote dieser Quellen und müssen hohem Druck sowie heißer, schwermetallreicher Flüssigkeit standhalten. Diese Flüssigkeit entsteht, wenn Meerwasser in den Meeresboden eindringt, durch darunterliegende Gesteine fließt und als hydrothermale Flüssigkeit wieder ins Meer austritt. Die Fließrichtung dieser hydrothermalen Flüssigkeit ändert sich mit den Gezeiten. Vermutlich zeigen die Muscheln an den Hydrothermalquellen deshalb Gezeitenrhythmen in ihrem Verhalten und ihrer molekularen Biologie. Wie Organismen ohne Gehirn diese Rhythmen generieren, war bisher unklar.
Weltweit einzigartig: Tiefseezellen im Kühlschrank
Dem Team gelang es erstmals, Zellkulturen aus Muscheln anzulegen, die bisher über drei Jahre lang im Labor erhalten werden konnten. Audrey Mat, Erstautorin der Studie und Initiatorin der Experimente, erklärt: „Während Zellen im Labor üblicherweise bei 25 bis 37 °C gedeihen, wachsen unsere Muschelzellen im Kühlschrank bei Tiefseetemperaturen heran. Dieser technische Fortschritt ist weltweit einzigartig und ermöglicht neue Einblicke in die Biologie dieser Tiere.“
Aus Gezeiten wird ein Tagesrhythmus
Im Labor änderte sich der vorrangige Rhythmus der Muscheln: Statt des Gezeitenrhythmus von 12,4 Stunden zeigen sie überwiegend circadiane Rhythmen von etwa 24 Stunden in den isolierten Zellen. Das deutet auf eine erhebliche Flexibilität der inneren Uhr hin.
Tiefseemuscheln besitzen die zentralen Gene der circadianen Uhr, die auch bei Fliegen und Menschen vorkommen – aber mit spezifischen Modifikationen. Diese könnten es ermöglichen, zwischen circatidaler (12,4 Stunden) und circadianer (24 Stunden) Zeitgebung umzuschalten, vermutlich über Änderungen in der Expression des Uhr-Gens mit dem Namen „period“.
Relevanz für den Schutz der Tiefsee
Die Tiefsee zählt zu den am wenigsten erforschten Ökosystemen der Erde. Sie steht unter erheblichem Druck durch menschliche Ausbeutung, beispielsweise durch den bevorstehenden Tiefseebergbau. „Dass diese Ökosysteme mechanistisch hochkomplex sind und Zeitgebungssysteme besitzen, die ebenso ausgefeilt sind wie jene an der Oberfläche, unterstreicht ihre Schutzwürdigkeit. An Land wissen wir, dass menschliche Eingriffe wie Licht oder Vibrationen zirkadiane Uhren stören. Tiefsee-Uhren sind sehr wahrscheinlich ebenso anfällig – mit erheblichen Folgen für Organismen und Ökosysteme.“, so Kristin Tessmar-Raible und Marjolaine Matabos, die gemeinsamen Koordinatorinnen der Studie.
Zusammenfassung:
- Erstmals gezüchtete Zellkulturen aus Tiefseemuscheln konnten bei Kühlschranktemperatur wachsen und seit über drei Jahren erhalten werden.
- Obwohl es in 1.700 Metern Tiefe weder Sonnen- noch Mondlicht gibt, zeigen die Zellen der Muscheln im Labor autonome Tagesrhythmen.
- Am Meeresboden folgen die Muscheln hauptsächlich dem 12,4-Stunden-Gezeitenrhythmus, im Labor überwiegt in den Zellen der 24-Stunden-Tagesrhythmus, was auf eine erhebliche Flexibilität ihrer inneren Uhr hindeutet.
- Die Muscheln besitzen die zentralen Uhr-Gene, die auch bei Fliegen und Menschen vorkommen, doch deren muschelspezifische Modifikationen könnten ein Umschalten zwischen Gezeiten- und Tagesrhythmus ermöglichen.
- Da Tiefsee-Uhren ebenso störanfällig sind wie jene an Land, ist die Studie besonders im Hinblick auf Tiefseebergbau relevant – dieser könnte selbst aus großer Distanz erhebliche Folgen auf die zeitliche Koordination von Organismen und ihr Ökosystem haben.
Originalpublikation:
Mat AM, Scaramuzza F, Ćorić A, Klopp Ch, Matabos M, Tessmar-Raible K. Endogenous rhythms in deep-sea mussel cell culture and molecular clock characterization. In press. EMBO Reports.
