Unterwegs durch die Luft: Mikroben

Vielfältige Strategien

Neben den Endosporen gibt auch Exosporen, die außerhalb des Organismus durch Abschnürung einer Tochterzelle gebildet werden. Diese dienen bei Pilzen und Bakterien der Vermehrung und Verbreitung und sind noch resistenter gegenüber der Umwelt als Endosporen.

Außerdem besteht noch die Möglichkeit, in einer Zyste zu überdauern. Manche Mikroben wie die Stickstoff fixierenden Bakterien der Gruppe Azotobacter oder auch manche Protozoen – einzellige Lebewesen mit Zellkern – bilden diese Kapseln mit verdickter Zellwand und stark reduziertem Stoffwechsel, um Nahrungsmangel und ungünstigen Bedingungen zu entgehen. Zysten sind aber in der Regel weniger widerstandsfähig als Sporen.

Eine große und diverse Gruppe an nicht pflanzlichen Organismen, die Photosynthese betreiben, sind Algen. Unzählige Arten von einzelligen Mikroalgen können Luftplankton werden und ebenso Sporen oder Zysten bilden.

An extremen Standorten mit hohen Temperaturen oder hohem Salz- oder Säuregehalt leben oft Archaeen, Einzeller ohne Zellkern. Dadurch scheinen Archaeen bestens dazu geeignet, als Luftplankton zu überleben. Jedoch fanden Forschende bisher nur wenige Spuren von Archaeen in der Luft. Viel dominanter waren Sporen von Bakterien und Pilzen.

Viren besitzen im Gegensatz zu anderem Luftplankton keine eigenen Mechanismen, um Schäden durch die extremen Umwelteinflüsse der Atmosphäre zu reparieren. Daher gehen sie auf ihren Reisen durch die Luft außerhalb von Innenräumen auch meist in einen Ruhezustand über. Erst wenn sie auf einen Wirt treffen, werden sie wieder aktiv.

Leben im Regentropfen

Die meisten Mikroorganismen in der Atmosphäre befinden sich also in einem inaktiven Zustand. Aber einige können frei schwebend, auf Staubkörnern oder in Wassertröpfchen in Wolken Stoffwechsel betreiben.

Dabei verarbeiten sie die vom Wind aufgewirbelten Nährstoffe oder gasförmige Moleküle. Forschende wissen jedoch noch nicht genau, wie genau diese Stoffwechselwege funktionieren und welche weitreichenden Auswirkungen sie auf chemische Kreisläufe der Umwelt oder die Konzentration von Treibhausgasen haben.

Algen können Photosynthese theoretisch auch schwebend in der Atmosphäre betreiben. Allerdings haben sie mit einem Übermaß an Sonnenlicht zu kämpfen. Das überfordert das Reaktionszentrum der Photosynthese mit zu viel Energie. Eine Möglichkeit, dem zu entgehen, ist, sich im Schatten von Wolken aus Wasser oder Staub aufzuhalten.

Platzende Blasen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Mikroorganismen zu Luftplankton werden. Alleine der Wind wirbelt jedes Jahr viele Millionen Tonnen Staub und Teilchen von Erde und damit auch Mikroben auf. Eine weitere wichtige Quelle ist die Meeresoberfläche: In der Gischt zerplatzen Blasen und schleudern die darin enthaltenen Lebewesen in die Luft. Außerdem können Mikroben durch Regentropfen von Blättern gelöst oder vom Boden aufgewirbelt werden.

Auch der Mensch trägt zum mikrobiellen Luftplankton bei – und das nicht nur durchs Niesen. Bei der Sprühbewässerung von Feldern oder durch den Wasserdampf aus Kühltürmen von Kraftwerken werden Tröpfchen mit Mikroorganismen darin freigesetzt. Ebenso tragen die Tierhaltung durch die Tiere selbst und ihre Abfälle dazu bei. Sogar Raketenstarts können Luftplankton weit in die Stratosphäre tragen.

Oftmals reisen die Mikroben nur wenige Meter weit in der Luft, doch Stürme oder besonders starke Konvektionsbewegungen in der Atmosphäre durch Hitzewellen, Waldbrände oder Vulkanausbrüche transportieren sie viele Tausend Kilometer weit. Das passiert zum Beispiel bei großen Sandstürmen, die Saharastaub nach Europa oder sogar bis über den Atlantik tragen.

Krankheiten in der Luft

Nur wenige für den Menschen gefährliche Krankheitserreger können über so große Strecken durch die Luft reisen. Die meisten sind den harschen Umweltbedingungen unter freiem Himmel auf Dauer nicht gewachsen.

Auf kurzen Strecken und insbesondere im Innenbereich können Krankheiten über die Luft transportiert werden. Das wurde uns allen während der COVID-19-Pandemie schmerzlich bewusst. Doch auch schon lange davor hatten wir mit über die Luft verbreiteten Krankheiten wie Anthrax oder Tuberkulose zu kämpfen. Auch Protozoen im Luftplankton können für uns schädliche Bakterien und Viren enthalten oder selbst als Parasiten auftreten.

Unter manchen Umständen können Krankheitserreger auch über weite Strecken durch die Luft transportiert werden. Üblicherweise sind dazu Anpassungen wie Sporenbildung nötig. Ebenso ist es möglich, dass die Erreger auf Staub- oder Pollenkörnern oder innerhalb von vom Wind verwehten Insekten überdauern. So wurden etwa Ausbrüche von Hirnhautentzündung in Afrika südlich der Sahara mit der weiträumigen Verbreitung der dazugehörigen Erreger in der Atmosphäre in Verbindung gebracht.

Neben den Krankheitserregern selbst spielt auch die Atmosphäre eine Rolle bei der Verbreitung von Allergenen. Überdies kann genetisches Material über die Atmosphäre weite Strecken zurücklegen. Das stellt insbesondere bei der Verbreitung antibiotikaresistenter Gene durch horizontalen Gentransfer zwischen Bakterien eine mögliche Gefahr dar.

Regenmacher

Doch bedeutet mikrobielles Luftplankton nicht nur eine Gefahr. Es ist auch zentral für die Besiedlung neuer Lebensräume wie Vulkaninseln, um die Grundlage für neue Ökosysteme zu bilden. Ebenso wichtig ist es für den Erhalt der mikrobiellen Diversität durch den Kontakt verschiedener Arten und die Bereicherung von bestehenden Ökosystemen durch neue Arten.

Neben ihrer ökologischen Bedeutung spielen Mikroben, Viren und Algen in der Atmosphäre auch eine elementare Rolle bei der Wolkenbildung. Genauso wie Pollen, Pilzsporen oder Staub können auch Mikroben als Kondensationskeime für Wassertropfen und Eiskristalle dienen. Diese Keime bilden den Startpunkt für gasförmige Wassermoleküle, um sich anzusammeln. Ohne sie wäre die Wolkenbildung viel schwieriger, was den weltweiten Wasserkreislauf stark beeinträchtigen würde.

Viele Mikroorganismen sind dafür sogar besonders gut geeignet, da sie besondere Proteine auf ihren Zellmembranen besitzen. Diese Proteine erlauben es Eiskristallen, bei höheren Temperaturen zu kondensieren, als es etwa bei Staub als Kondensationskeim möglich wäre. Aus diesen Kristallen bilden sich dann oftmals Tröpfchen, die als Regen niedergehen.

Luftplankton spielt also in vielerlei Hinsicht in der Umwelt eine wichtige Rolle. Aber wie so viele andere Ökosysteme ist es auch vom Klimawandel bedroht. Eine Studie im Fachblatt Scientific Reports aus dem Jahr 2021 sagte einen Rückgang der Diversität des mikrobiellen Luftplanktons durch steigende Temperaturen voraus. Also selbst in diesem für uns fremden Lebensraum hat der Mensch schon seine Spuren hinterlassen. //