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Mikroorganismus
Ein Mikroorganismus, auch Mikrobe genannt, ist ein mikroskopisch kleines Lebewesen (Organismus), das als Einzelwesen nicht mit bloßem Auge erkennbar ist.
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Begriff und Grundbedeutung
Ein Mikroorganismus, auch Mikrobe genannt, ist ein Lebewesen, das so klein ist, dass es als Einzelwesen nicht mit bloßem Auge erkannt werden kann. Die meisten Mikroorganismen sind Einzeller; dazu kommen wenige vielzellige Pilze und Algen entsprechender Größe. Sie bilden keine einheitliche Verwandtschaftsgruppe, sondern unterscheiden sich von größeren Lebewesen vor allem durch ihre Größe. Erforschung und Einordnung gehören zur Mikrobiologie.
Zu den Mikroorganismen zählen Bakterien, Archaeen, viele Pilze, Mikroalgen und Protozoen. Beispiele sind Milchsäurebakterien, Backhefe, Chlorellen, Pantoffeltierchen und Plasmodium als Malaria-Erreger. Ob Viren dazugehören, ist umstritten: Meist gelten sie nicht als Lebewesen, weil sie keinen eigenen Stoffwechsel besitzen und sich nicht selbstständig vermehren. Die Virologie, also die Virenforschung, ist dennoch ein Teilgebiet der Mikrobiologie.
Mikroorganismen sind für Stoffkreisläufe besonders wichtig. Mikroalgen und Cyanobakterien wirken als Produzenten und bilden durch die Herstellung organischer Stoffe die Grundlage vieler Nahrungsketten. Andere Mikroorganismen sind Zersetzer oder Destruenten: Sie bauen organische Materie zu anorganischen Stoffen ab. Für Menschen können sie nützlich sein, etwa bei Lebensmitteln oder der Herstellung von Antibiotika, aber auch als Parasiten und Krankheitserreger bedeutsam werden.
Wichtige Gruppen
Bakterien bilden neben Eukaryoten und Archaeen eine der drei Domänen aller Lebewesen. Sie sind Prokaryoten: Ihre DNA liegt frei im Cytoplasma und nicht in einem durch eine Doppelmembran abgegrenzten Zellkern. Der Bereich mit dicht gepackter DNA heißt Nucleoid oder Kernäquivalent. Bakterien und Archaeen wurden früher oft gemeinsam als Bakterien bezeichnet, gehören aber jeweils zu eigenen Domänen. Ein Bakterium kann beispielsweise einen Durchmesser von 0,6 µm haben. Die große Mehrheit, schätzungsweise 95 bis 99 % aller Bakterienarten, war 2006 noch nicht beschrieben. Thiomargarita namibiensis, die „Schwefelperle von Namibia“, erreicht bis zu drei Viertel Millimeter Durchmesser und ist damit bereits mit bloßem Auge sichtbar.
Archaeen unterscheiden sich von Bakterien unter anderem durch Membran- und Zellwandstrukturen sowie Bestandteile ihrer Systeme zur Transkription und Translation. Extrem halophile Archaeen leben bei hoher Salzkonzentration. Hyperthermophile Archaeen haben ein Temperaturoptimum über 80 °C, können bei der Siedetemperatur von Wasser wachsen, aber nicht unter 60 °C. Methanogene Archaeen leben streng anaerob, also ohne Sauerstoff, und bilden Methan, etwa in Sümpfen, Rinderpansen, Reisfeldern und Faulbehältern von Abwasserreinigungsanlagen.
Pilze sind Eukaryoten mit Zellkern. Sie können Einzeller wie Backhefe oder Mehrzeller wie Mycelpilze sein. Als heterotrophe Lebewesen betreiben sie keine Photosynthese. Meist geben sie Enzyme in ihre Umgebung ab, spalten dadurch große, wasserunlösliche Nährstoffe und nehmen die Produkte auf. Von Pflanzen unterscheiden sie sich unter anderem durch diese Ernährungsweise und meist durch Chitin in der Zellwand; von Tieren durch das Vorhandensein einer Zellwand. Sie verbreiten sich geschlechtlich oder ungeschlechtlich durch Sporen sowie vegetativ über Myzelien.
Mikroalgen sind ein- bis wenigzellige Algen. Sie betreiben Photosynthese, nutzen Licht als Energiequelle und sind kohlenstoffautotroph, bauen ihre organischen Stoffe also aus anorganischem Kohlenstoff auf. „Algen“ sind keine natürliche Verwandtschaftsgruppe, sondern eine paraphyletische Gruppe.
Protozoen oder Urtiere sind früher als tierisch angesehene, bewegliche, heterotrophe Einzeller ohne Zellwand, aber mit Zellkern. Auch „Protozoen“ ist keine systematische Verwandtschaftsgruppe. Von etwa 40.000 beschriebenen „Protozoen-Arten“ sind etwa 8.000 Parasiten; ungefähr 70 parasitieren beim Menschen, und nur etwa 40 Protozoeninfektionen können Krankheiten hervorrufen. Einige als Protozoen bezeichnete Parasiten gehören eigentlich zu den Algen, etwa Apicomplexa mit Plasmodium.
Entwicklung, Erbgut und Artenvielfalt
Mikroorganismen traten vor etwa 3,8 Milliarden Jahren als erste Organismen auf der Erde auf. Vielzeller entwickelten sich erst vor etwa 600 Millionen Jahren im Neoproterozoikum; Homo sapiens erschien vor etwa 130.000 Jahren.
Ihre Genome enthalten gewöhnlich höchstens 10 Millionen DNA-Basen. Das ist wenig im Vergleich zu etwa 3 Milliarden Basen im Genom von Menschen oder Mäusen. Der vergleichsweise einfache Bauplan ermöglicht schnelle Vermehrung: Escherichia coli verdoppelt sich unter optimalen Bedingungen alle 20 Minuten. Er unterstützt außerdem die Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen oder Wirtsorganismen.
Die Gesamtzahl der Arten kann nur geschätzt werden und könnte mehrere Milliarden betragen. Bisher wurde nur ein kleiner Teil entdeckt und klassifiziert. In einem Liter Meerwasser können mehr als 20.000 verschiedene Mikroorganismenarten leben; in den Ozeanen insgesamt möglicherweise bis zu zehn Millionen Arten.
Rolle in Umwelt und Technik
Mikroorganismen treiben wichtige geochemische Stoffumsetzungen an und beeinflussen das globale Klima. Durch die Verstoffwechselung von Elementen wie Kohlenstoff und Stickstoff helfen sie, die Erde für andere Lebewesen bewohnbar zu halten. Sie erzeugen mindestens die Hälfte des elementaren Sauerstoffs (O₂) des Planeten.
Sie können in sehr unterschiedlichen Lebensräumen wachsen: in sauren, alkalischen oder salzigen Umgebungen, bei extremer Hitze oder Kälte, unter hohem Druck, in Dunkelheit oder starker Strahlung. Solche Extremophile können Nährstoffe teilweise ausschließlich aus anorganischem Material beziehen. Manche besiedeln sogar giftbelastete Lebensräume mit Schwermetallen, Nitraten oder Radionukliden wie Uran und Technetium. Deinococcus radiodurans wurde beispielsweise im Kühlwasserkreislauf von Kernkraftwerken und in arsenverseuchten Abfällen gefunden. Die Artenzusammensetzung einer Biozönose kann zur Überwachung eines Biotops und zur Vorhersage von Veränderungen eines Ökosystems dienen.
Nützliche Mikroorganismen wirken etwa im Stickstoffkreislauf, bei der N₂-Fixierung und bei der Abwasserreinigung. In der Lebensmittelindustrie stellen sie bestimmte Nahrungsmittel her. Die Biotechnologie nutzt sie als Produzenten von Antibiotika, Insulin und anderen technisch nutzbaren Stoffen sowie zur Schädlingsbekämpfung. Spezielle Mikroben können bei Ölverschmutzungen Erdöl und Erdölprodukte abbauen.
Mikroorganismen im Menschen und als Erreger
Auf und im menschlichen Körper leben etwa 1 Billiarde (10^15) Mikroorganismen, vor allem Bakterien. Dem stehen 10–100 Billionen (10^13–10^14) menschliche Zellen gegenüber. Die Mikroorganismen haben zusammen eine Masse von 0,5 bis 1 kg. Die individuelle Mikroflora entsteht bereits während der Geburt und verändert sich durch Umgebung und Gene. Mikroorganismen leben unter anderem auf Haut, in Mund und Nase sowie im Darm.
Die Haut ist relativ keimarm: Theoretisch hätten auf 1 cm² Haut bis zu 200 Millionen Bakterien Platz, tatsächlich leben dort etwa 100 bis 10.000 Bakterien. Im Magen-Darm-Trakt bilden Mikroorganismen die Darmflora. Sie produzieren Biotin, Folsäure und Vitamin K, stärken das Immunsystem und erschweren krankheitserregenden Bakterien und Pilzen die Ansiedlung. Ein Gramm menschlicher Kot enthält etwa 100 Milliarden Mikroorganismen. Milchsäurebakterien halten die Vagina mit einem pH-Wert von 3,8–4,5 sauer und wirken dadurch bakteriellen Infektionen entgegen.
Die meisten Mikroorganismen verursachen keine Krankheiten. Nur ein kleiner Teil ist pathogen, das heißt krankheitserregend, bei Menschen, Tieren oder Pflanzen. Infektionskrankheiten können nach Erregertyp eingeteilt werden, beispielsweise in bakterielle Infektionen, Pilzinfektionen und Protozoeninfektionen.