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1 Die Mikroorganismen – eine kurze Einführung

Georg Fuchs

1.1 Überblick

Die meisten Menschen haben keine rechte Vorstellung von Mikroorganismen; ja, sie verbinden mit ihnen zuerst Krankheitserreger und damit ausschließlich negative Gefühle. Anders der Leser dieses Buches: Er möchte sich über die Welt der unsichtbar kleinen Lebewesen informieren, sei es als Biologe, Chemiker, Landwirt, Mediziner, Biotechnologe, Ernährungswissenschaftler, Lebensmitteltechnologe, Geologe oder Lehrer. Diese Einführung stellt Mikroorganismen als Lebewesen sui generis vor, mit ihrer langen Entwicklungsgeschichte, der bisher nur teilweise bekannten Vielfalt, ihrer scheinbar einfachen Bauart und doch so wirkungsvollen Funktionsweise, der Lebens- und Ernährungsweise, ihren Feinden. Als Schattenreich neben den sichtbaren Tieren und Pflanzen werden Mikroorganismen leicht übersehen; sie sind die „schweigende Mehrheit“. Sie sind überall und spielen eine entscheidende Rolle in der Natur, vor allem im Kreislauf der Stoffe, aber auch als Symbionten von höheren Lebewesen. Der Mensch selbst ist ein von Mikroorganismen besiedelter Raum, besonders die Schleimhäute und der Darmtrakt. Für den Menschen haben Mikroorganismen große wirtschaftliche Bedeutung. Zum einen sind es Nützlinge, die im Lebensmittelbereich unseren Alltag bereichern und in der Biotechnologie eine immer größere Rolle spielen. Zum andern sind Mikroorganismen aber auch als Schädlinge verantwortlich für die Zerstörung von Materialien und als Krankheitserreger. Bis in die Neuzeit wurde die Hälfte der Menschheit Opfer von Infektionskrankheiten. Die Mikrobiologie hat wesentlich zum Wohle der Menschheit beigetragen, indem sie die Krankheitserreger erkannte, geeignete Hygienemaßnahmen erarbeitete, Impfungen entwickelte und Antibiotika entdeckte.

1.2 Was sind Mikroorganismen?

Unter dem Begriff Mikroorganismen fasst man unterschiedlichste Lebensformen zusammen, die meist einzellig und mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind, weil sie sehr klein sind. Sie bewohnen alle möglichen Orte auf der Welt, die Leben noch ermöglichen. Sie sind überall, verbreiten sich einfach, können sich unter geeigneten Bedingungen rasant vermehren und überdauern oft lange Zeiten. Sie schöpfen alle Möglichkeiten aus, um aus Licht oder fast beliebigen chemischen Prozessen Lebensenergie zu gewinnen. Ihre Stoffwechselleistungen sind uns Menschen deshalb oft sehr fremd. Zu den Mikroorganismen zählt man die Bakterien, also die Prokaryonten. Unter den Eukaryonten gibt es mikroskopisch kleine Formen wie die Pilze sowie die Protozoen (Protisten) und einzelligen Algen. Letztere werden in Zoologie und Botanik abgehandelt. Viren werden häufig ebenfalls zu den Mikroorganismen gerechnet, obwohl sie keine selbständigen Lebensformen darstellen. In den folgenden drei Kapiteln stellen wir die Bakterien, Pilze und Viren kurz vor.

1.3 Die Anfänge der Mikrobiologie

Die beiden großen biologischen Disziplinen, die sich mit Pflanzen (Botanik) und Tieren (Zoologie) beschäftigen, hatten sich schon zu Wissenschaften entwickelt, bevor das Mikroskop zur Verfügung stand und bevor das Experiment als Forschungsmethode eingeführt wurde. Was der Mensch mit bloßem Auge erkennen kann, kann er beschreiben, auseinandernehmen, benennen und ordnen. Im Gegensatz dazu bestanden über die Existenz von Mikroorganismen lange Zeit nur Mutmaßungen (Plus 1.1). Ihre Kenntnis war eng mit dem Fortschritt von mikroskopischen Techniken verbunden.

Von Mikroorganismen konnte man also erst etwas erfahren, nachdem es gelungen war, das unsichtbar Kleine sichtbar zu machen. Die Entdeckung der Bakterien ist Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723) aus Delft zu verdanken. Er baute einfachste Mikroskope; es waren eigentlich nur Lupen mit einer einzigen, jedoch recht vollkommen geschliffenen Linse, die eine Vergrößerung bis 270fach zuließ ( ▶ Abb. 1.1). Damit untersuchte er in harter Arbeit, was immer ihm interessant erschien. So beobachtete er um 1683 in seinem Zahnbelag winzige bewegliche „Tierchen“. Er schätzte korrekt ab, dass „die Anzahl dieser Tierchen in einem Teilchen davon, nicht dicker als ein Pferdehaar, die Anzahl der Menschen in einem Königreich übersteigt“. Diese und andere Entdeckungen teilte er brieflich der Royal Society in London mit. Die beigefügte Zeichnung lässt klar verschiedene Bakterienformen und sogar die Bewegungsweise erkennen ( ▶ Abb. 1.1). Sein Werk war seiner Zeit so weit voraus, dass es nahezu 150 Jahre unwirksam blieb. Die Herstellung einfacher Mikroskope und das Mikroskopieren damit blieben Zeitvertreib, ohne wissenschaftlichen Anspruch. Ein bestimmender Biologe des 18. Jahrhunderts, Carl von Linné (1707–1778), hatte in seinem Werk „Systema naturae ...“ (1735) noch keinen richtigen Platz für Mikroorganismen. Es bedurfte weiterer Erkenntnisse, der Verfügbarkeit von Farbstoffen und vor allem der Verbesserung des Mikroskops im 19. Jahrhundert, bis eine Wissenschaft von den Mikroorganismen, die Mikrobiologie, entstehen konnte. Brauchbare Mikroskope standen erst ab 1821 und gute Mikroskope mit Ölimmersion erst ab 1878 zur Verfügung.

Die 50 Jahre von 1860 bis 1910 werden das klassische Zeitalter der Mikrobiologie genannt. Wichtige methodische Grundlagen und neue wissenschaftliche Konzepte wurden erarbeitet, es gelang die Identifizierung der Erreger gefürchteter Ansteckungskrankheiten, die Gärungsprozesse wurden grundsätzlich verstanden, ja man entwickelte sogar wirksame Impfungen gegen Infektionskrankheiten. Auch praktische Folgerungen wie das Pasteurisieren und andere Anwendungen ergaben sich in großer Zahl. Diese Aufbruchszeit der Biologie ist durch viele hervorragende Persönlichkeiten geprägt, von denen Louis Pasteur (1822–1895) ( ▶ Abb. 1.2) und Robert Koch (1843–1910) ( ▶ Abb. 1.3 ) in der Mikrobiologie am nachhaltigsten gewirkt haben. Nach ihnen sind das Institut Pasteur in Paris und das Robert Koch-Institut in Berlin benannt.

Pasteur hatte als Chemiker vor allem technische Prozesse im Auge und war maßgeblich an der Entwicklung der Methoden der Hitzesterilisation („Pasteurisieren“) und der Desinfektion beteiligt. Diese Verfahren hatten unmittelbare praktische und bleibende Bedeutung. Für die Mikrobiologie waren keimfreie Medien die wichtigste Voraussetzung für alles Weitere. Er konnte damit überzeugend widerlegen, dass es eine Urzeugung, also eine spontane Entstehung von Lebewesen aus unbelebter Materie, gibt: Eine abgekochte Brühe blieb steril, es entstanden also keine lebensfähigen Mikroorganismen. Dagegen setzte in nicht abgekochten Kontrollversuchen die gewohnte Gärung oder Fäulnis ein; es hatten sich massenweise Mikroorganismen vermehrt. Seine Gegner hatten gefordert, dass Luft für die Urzeugung nötig sei; also verwendete er Gefäße mit langen, gebogenen, dünnen Hälsen, durch die Luft eindringen konnte („Schwanenhalskolben“), aber Keime aus der Luft abgehalten wurden. Er erkannte, dass die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung durch Mikroorganismen, Bakterien bzw. Hefen, verursacht werden. Gärung deutete er als „Leben ohne Sauerstoff“. Fehlgärungen, „Krankheiten“ von Bier und Wein, wie auch die Umwandlung von Wein in Essig erklärte er durch Befall mit fremden Bakterien. Er leistete auch wesentliche Beiträge zur Impfung gegen Ansteckungskrankheiten. Impfmaterial aus kranken Tieren trocknete oder behandelte er zuvor mit...