Bakterien – Leben um Biofilm

Bakterien scheinen allgegenwärtig zu sein. Sie sind selbst in Luftproben aus höheren Schichten der Atmosphäre nachweisbar und dringen bis in tiefe Gesteinsschichten in die untersten Ebenen der Biosphäre vor. Abgesehen von vulkanischen Extremregionen gibt es praktisch keine sterilen Zonen auf der Erde. Die Bedeutung der Mikroorganismen kann kaum hoch genug eingeschätzt werden. Sie sind der Motor der Stoffkreisläufe des Lebens – und perfekt organisiert. Um die Bedeutung ihrer erstaunlichen Lebensgemeinschaften geht es in diesem Extrakapitel.

Die Anzahl tierischer Lebewesen fällt gegenüber der Anzahl der Mikroben kaum ins Gewicht. Es gibt ungefähr 100 Milliarden (10¹¹) größere Landlebewesen (Menschen, Säugetiere, Vögel und Reptilien), 4 Billionen (4×10¹²) Fische, eine Trillion (10¹⁸) Insekten, 100 Trillionen (10²⁰) weitere Meerestiere, 10 Trilliarden (10²²) meist mikroskopisch kleine Würmer und zehn Quadrillionen (10²⁵) Einzeller. Zählt man alles zusammen, ist man immer noch bei zehn Quadrillionen. Das ist bereits im wahrsten Sinne des Wortes hyper-astronomisch viel, denn man verortet die Zahl der Sterne des Universums im gleichen Bereich, wie die der Sandkörner auf dem Planeten Erde (ca. 10²³). Die Anzahl ihrer kleinsten Bewohner liegt allerdings zehn Millionen Mal höher – es gibt etwa eine Quintillion (10³⁰) Bakterien.

Die verbreitete Vorstellung, Bakterien seien kleine Solisten, die sich durch das freie Wasser schrauben, in der Luft umherschweben oder irgendwo in der Ecke sitzen und auf bessere Zeiten warten, trifft allerdings nur auf einen Bruchteil von ihnen zu. Natürlicherweise leben fast alle in großen Kommunen, die jedem bekannt sein dürften: In jedem Regiolekt werden sie mit einer Vielzahl von Ausdrücken bedacht. Umgangssprachlich nennt man sie Schmer, Schmier, Schmand, Schmodder, Siff, Glibber oder Glubsch, etwas gehobener Ablagerung, Besatz, Belag oder Bewuchs und unter Wissenschaftlern Kahmhaut, Sielhaut oder Plaque. Jeder Kiesel im Bach ist damit überzogen, sie bilden sich in kurzer Zeit an fast jeder feuchten Fläche und fühlen sich weich und glitschig an. Der amerikanische Mikrobiologe John William (Bill) Costerton (1934-2012) verwendete 1978 erstmals den Begriff »Biofilm«, doch zu dieser Zeit ahnte noch niemand, dass die Erforschung dieser Lebensgemeinschaften den Blick auf die belebte Umwelt revolutionieren würde.

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Im Rückblick erscheint es unglaublich, dass die Bedeutung dieser mikrobiellen Koloniebildungen der Aufmerksamkeit der Forscher so lange verborgen bleiben konnte. Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) war der erste Mensch, der mithilfe eines leistungsfähigen, selbst erfundenen und konstruierten Mikroskops einzelne Bakterien erkennen konnte. Er hatte 1683 die originelle Idee, sich etwas Belag von den Zähnen abzuschaben und diesen zu untersuchen. Was er dabei zu sehen bekam, verschlug ihm den Atem. Begeistert schrieb er an die Royal Society: »Die Anzahl der Kleinstlebewesen, die sich vom Zahn eines Mannes abschuppen lassen, ist so groß, dass ich glaube, sie übersteigt die Einwohnerzahl eines Königreichs.« In London lachte und spottete man zunächst über den »verrückten Holländer«, bis sich zeigte, dass er Recht hatte. In unserem Mund tummeln sich etwa zehn Milliarden Mikroorganismen. Was van Leeuwenhoek von seinen eigenen Zähnen (und als gewissenhafter Forscher auch von den Zähnen weiterer Kontrollpersonen) abgekratzt hatte, waren nicht etwa Speisereste, sondern ein Gemisch aus 85 Prozent Schleim und 15 Prozent körperfremder Zellen – er sah die »Premiere des Biofilms«. Leider nahm er das Geheimnis seiner genialen Linsenschleiferei mit ins Grab und es dauerte über 250 Jahre, bis man wieder in der Lage war, Mikroskope mit derart guter Auflösung zu bauen.

Die kleinen Kreaturen, die van Leeuwenhoek »Animalcules« (elende Biestchen) nannte, gerieten schnell wieder in Vergessenheit. Auch wenn inzwischen viel mehr über sie bekannt ist, geht man davon aus, dass 95-99 Prozent der Bakterienarten immer noch nicht näher bekannt sind oder beschrieben wurden. Erst vor wenigen Jahren erkannte man, mit welch komplexen Strukturen man es bei der »Zahnplaque« zu tun hatte. Lichtmikroskopisch ließ sich nur die äußerste Schicht erkennen – die darunter liegenden Schichten hielt man für abgestorbene Biomasse. Auch elektronenmikroskopische Untersuchungen waren wenig ergiebig, da man bei dieser Methode nicht mit lebendem Material arbeiten kann. Erst mithilfe konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie wurde es möglich, die schleimigen Klumpen Schicht für Schicht zu durchdringen und als hochaufgelöste 3D-Darstellung zu präsentieren. Damit wurde das Tor zu einer neuen Welt aufgestoßen.

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Das Bemerkenswerteste an Biofilmen ist jedoch nicht ihre hohe Besiedlungsdichte, sondern die Tatsache, dass sie unterschiedlichste Arten mit grundverschiedenen Bedürfnissen auf engstem Raum beherbergen, die hervorragend miteinander kooperieren. Der Vergleich mit einer Großstadt ist gar nicht weit hergeholt: In einem reifen Biofilm pulsiert das Leben. Seine Bewohner leben in einer arbeitsteiligen Gesellschaft, tauschen Stoffwechselprodukte aus, laden sich über Plasmabrücken DNA-Updates von den Nachbarn herunter, kommunizieren auf chemischem Weg über spezielle »Datenleitungen« in der Matrix, bauen gemeinsam an Türmen und Kavernen und fischen rund um die Uhr alle verwertbaren Moleküle aus dem feinen Netz von Poren und Kanälen, das ihr kleines Reich durchzieht. Einige ziehen sich in ein inaktives Dauerstadium zurück und bilden als »Persister« die stille Reserve. Ihre große Stunde schlägt im Katastrophenfall, wenn etwa eine hohe Antibiotikadosis alle aktiven Zellen vernichtet – dann erwachen sie aus ihrem Dornröschenschlaf und beginnen die Geisterstadt erneut mit Leben zu füllen. Zelldichte und -wachstum im Kollektiv werden ständig überwacht und reguliert. Bei Nahrungsknappheit lösen sich einige Bewohner einfach auf, um anderen als Speise zu dienen. Alle haben das große Ganze im Blick. Sollten sich die äußeren Bedingungen dramatisch verschlechtern, lösen sich gezielt die Zellen auf, die an der Basis sitzen. Die Kolonie setzt sich daraufhin wie eine Wanderdüne in Bewegung, beginnt zu rollen oder löst sich ganz vom Untergrund und wird zu einer treibenden Insel. In ihrer Schleimburg sind die Mikroorganismen rundum versorgt: Der hohe Wasseranteil der Matrix schützt vor Austrocknung, die dicht gepackten organischen Moleküle absorbieren schädliche Strahlung, Schwankungen in Temperatur, Salzgehalt und pH-Wert werden gedämpft und ausgeschiedene Stoffe bleiben erhalten, statt sofort weggeschwemmt zu werden. Tatsächlich könnte bakterielles Leben auf Dauer gar nicht anders funktionieren. Ohne die Möglichkeit, sich irgendwo anzuheften, würden fast alle früher oder später weggewaschen und ins Meer gespült werden.

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In einem Biofilm kann ein breites Spektrum verschiedener chemischer Verbindungen abgebaut werden und die Zusammensetzung seiner Bewohner kann sich einem wechselnden Nahrungsangebot sehr schnell anpassen. Im abgeschirmten Kernbereich betreiben anaerobe Arten Gärungsprozesse, während im gut durchströmten Außenbereich der Sauerstoff des Mediums in den Atmungsketten der Randsiedler verwertet wird. Mitunter befinden sich Spezialisten an Bord, die exotische Nahrungsquellen, wie Schwefelverbindungen, Methan oder Erdölprodukte knacken können. Häufig werden einzellige Algen eingeladen, die die Energie des Sonnenlichts nutzbar machen, während Pilze und Einzeller sich teils als willkommene, teils als ungebetene Gäste einquartieren. Die globalen Kreisläufe von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor und vielen anderen Elementen werden hauptsächlich durch die unermüdliche Tätigkeit dieser effektiven »Chemieparks« aufrechterhalten. »Selbst«reinigungsprozesse der Umwelt sowie die Prozesse in Kläranlagen sind auf ihre Arbeit angewiesen – jede Flocke im Belebtschlammbecken ist ein schwimmender Biofilm. Die meisten Pflanzenfresser würden ohne sie verhungern, denn sie können ihre pflanzliche Nahrung nicht direkt verwerten. Das erledigen die Biofilme für sie, indem sie die Pflanzenfasern umhüllen und fressen – nur um als Dank dafür am Ende selbst verspeist zu werden. Rinder, Pferde, Schafe, Ziegen, Giraffen, Kängurus, Hasen und viele andere Tiere verdauen im Wesentlichen Biofilme.

Obwohl Biofilme einen großen wirtschaftlichen Nutzen haben, weil sie in viele wichtige Prozesse eingebunden sind, macht sich ihre Allgegenwart in vielen technischen Abläufen störend bemerkbar. Sie entstehen in den Kerosintanks von Flugzeugen, verstopfen Ölleitungen in Raffinerien und bewachsen Schiffsrümpfe. Bereits ein Film von einem Zehntel Millimeter Dicke erhöht den Reibungswiderstand eines Tankers um 10-15 Prozent, reduziert damit die Geschwindigkeit und erhöht den Spritverbrauch. Selbst an Bord der russischen Raumstation »Mir« wucherten Biofilme, mangels natürlicher Feinde, ziemlich ungestört und wurden zu einem großen Problem. Am meisten Sorgen bereiten Biofilme aber, wenn sie krankmachende Mikroorganismen in unserem Körper beherbergen.

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Wir sind von Kopf bis Fuß, innen und außen, auf sämtlichen Körperflächen von Bakterien besiedelt, die in ihrer Gesamtheit unser Mikrobiom bilden. Immer wieder fand man sie an Orten, wo man sie nicht vermutet hätte. Der säuregefüllte Magen galt als sterile Zone, bis man 1989 erkannte, dass Helicobacter pylori dort hervorragend gedeiht. Auch die Lunge eines gesunden Menschen hielt man für weitestgehend keimfrei – bis man 2007, bei genauerem Hinsehen, 128 verschiedene Bakterienarten darin nachweisen konnte. In den »hygienischen Problemzonen« unserer Haut tummeln sich mehrere Milliarden pro Quadratzentimeter, der dichtbevölkerte Mundraum wurde bereits erwähnt. Die meisten körperfremden Mitbewohner (99 Prozent) beherbergt unser Darm. Mit mindestens 400 verschiedenen Arten bilden diese eine ziemlich bunte Darmflora. Wer das nächste Mal einen Satz mit »Ich« beginnt, sollte sich daran erinnern, dass er sich damit zum Sprecher eines ganzen Biotops macht, in dem die eigenen Zellen in der Unterzahl sind. Da erscheint der Pluralis Majestatis (»Wir, Wilhelm, von Gottes Gnaden …«) schon angemessener.

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Zum Glück leben die meisten dieser Mikroorganismen in friedlicher Kooperation mit uns und bleiben an den Grenzflächen, wo sie durchaus erwünscht sind und wichtige Funktionen erfüllen. Sollten sie doch einmal ins Körperinnere vordringen, werden sie sofort vom Immunsystem attackiert und vernichtet. Bietet sich ihnen allerdings die Chance, sich auf körperfremden, nicht durchbluteten Oberflächen wie Prothesen, Kathetern, Implantaten oder Ähnlichem anzuheften, ist Gefahr im Verzug. Wenn es ihnen gelingt, einen »Brückenkopf« (in Form eines Biofilms) zu bilden, sind sie von der Immunabwehr nur noch sehr schwer zu be kämpfen, weil selbst hochpotente und -dosierte Antibiotika meist nicht sehr tief in die dicke Schleimschicht eindiffundieren können. Ein langwieriger Kampf beginnt, bei dem die Eindringlinge nicht selten die Oberhand behalten.

insider:tipps

Die Natur als eine große Sammlung von Biofilmen – eine für uns ungewohnte Perspektive. Dabei gab deren Schöpfer schon früh Gebote zum Schutz vor Gefahren, die aus dem Mikrokosmos erwachsen können. Bevor diese faszinierende Welt sich dem menschlichen Beobachter öffnete, erschienen manche göttlichen Anordnungen völlig unverständlich. Rabbinische Kommentatoren behalfen sich damit, die Vorschriften der Thora in »Vernunftsgebote« und »Gehorsamsgebote« aufzuteilen, wobei man letzteren absprach, mit dem Verstand nachvollziehbar zu sein. Vor der Entdeckung der Bakterien schien das insbesondere für viele der jüdischen Reinheitsgebote zu gelten.

Warum musste beispielsweise ein Tongefäß nach der Kontamination mit einem tierischen Kadaver zerbrochen werden (3Mo 11,33), während ein verunreinigtes Kupfergefäß gescheuert, mit Wasser gespült und weiterverwendet werden durfte (3Mo 6,21)? Lag es daran, dass Kupfer wertvoller, beständiger, »weniger irdisch« oder heiliger ist als Ton? Natürlich haben viele Gebote eine tiefere geistliche oder moralische Bedeutung, aber in diesem Fall gibt es einen ganz natürlichen Grund dafür: Im Gegensatz zur offenporigen Oberfläche des Tons, die Bakterien eine ideale Möglichkeit bietet, sich anzuheften und einzunisten, ist eine Kupferoberfläche für fast alle Mikroorganismen giftig und wird so gut wie gar nicht besiedelt.

Völlig unerklärlich erschien auch diese Vorschrift aus 3. Mose 11,37.38: »Und wenn von ihrem Aas etwas auf irgendwelche Saat fällt, die gesät wird, ist sie rein. Wenn aber Wasser auf den Samen getan wurde, und es fällt von ihrem Aas etwas auf ihn, soll er euch unrein sein.« Wasser steht in der biblischen Symbolik oft für Reinigung. Dass in diesem Fall etwas gerade in Verbindung mit Wasser erst unrein wird, blieb lange ein Rätsel. Erst viel später verstand man, dass Bakterien, die sich im trocken gelagerten Saatgut nicht anheften und vermehren können, dies in der feuchten Umgebung vorgekeimter Samen geradezu explosionsartig tun.

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Die Beschneidung der Vorhaut, das Bundeszeichen Israels, hat zweifellos einen symbolischen Charakter. Mit der Entfernung der »Unreinheit« wird der betreffende Mensch geheiligt, also für Gott abgesondert. Diese Maßnahme hat darüber hinaus aber auch einen praktischen Nutzen und ist keineswegs eine schädliche »Verstümmelung«. Regulär wird sie, gemäß 1. Mose 17,12, am achten Tag nach der Geburt vollzogen. Zu diesem Zeitpunkt hat der Säugling einen sehr guten Immunschutz und die Blutgerinnungskaskade erreicht eine ausreichende Aktivität. Die Wunde schließt sich zügig und heilt gut ab. Der Eingriff beseitigt eine extrem anfällige »Problemzone der Körperhygiene« mit einem kleinen Schnitt und hinterlässt beim Neugeborenen keine bewusste Erinnerung an den damit verbundenen Schmerz. Eine Reihe klinischer Studien belegen positive Effekte: die Übertragung von Geschlechtskrankheiten wird verhindert und verschiedene Entzündungen und Krebsarten treten sehr viel seltener auf. Obwohl die Datenlage, wie so oft in der Medizin, nicht ganz eindeutig ist und auch kritische Untersuchungen publiziert wurden, wird die Beschneidung in vielen Ländern heute noch (und wieder) bevorzugt. Europäer sind häufig verwundert zu hören, dass über 70 Prozent der männlichen Bevölkerung in den USA und fast 80 Prozent der jüngeren Südkoreaner beschnitten sind, in den meisten Fällen nicht aus religiösen, sondern aus hygienischen Gründen. Vielleicht werden wir noch so manches entdecken, wodurch wir tiefer verstehen, was Gott in 5. Mose 32,47 über Sein Gesetz sagt: »Es ist nicht ein leeres Wort für euch, sondern es ist euer Leben; und durch dieses Wort werdet ihr eure Tage verlängern.«

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Viele biblische Inhalte erweisen sich im Licht des aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstandes als äußerst modern. Die Zusammenhänge sind so überwältigend, dass sie als starker rationaler Hinweis auf den göttlichen Ursprung der Bibel gelten dürfen. Kritiker erheben schnell den Vorwurf des »cherry-picking«, was bedeutet, dass Textpassagen der Bibel, die aktuelle Erkenntnisse ganz erstaunlich bestätigen, selektiv hervorgehoben werden, während unpassende Ausdrucksweisen ausgeblendet werden. Tatsächlich gibt es viele biblische Aussagen, besonders in den Geboten, die wissenschaftlich betrachtet sinnlos erscheinen. Gibt es beispielsweise einen sachlichen Grund dafür, dass eine Frau nach der Geburt eines Mädchens doppelt so lange unrein ist wie nach der Geburt eines Jungen (3Mo 12,1-5)? Oder: Was spricht dagegen, Wolle und Leinen zusammen zu verarbeiten oder zu tragen (5Mo 22,11)?

Es ist allerdings ein Unterschied, ob es Gebote und Vorschriften gibt, deren praktischen Nutzen wir heute nicht (evtl. »noch nicht« oder »nicht mehr«) erkennen können, oder ob sie nachweislich schädlich für den Menschen sind, der sich danach richtet. Soweit biblische Gebote sich auf Fragen der Medizin und Hygiene beziehen, unterscheiden sie sich auffallend von der zeitgenössischen Heilkunde anderer Kulturen. Mose, der sie in Gottes Auftrag niederschrieb, »wurde in aller Weisheit der Ägypter unterrichtet« (Apg 7,22) und muss diesen Unterschied deutlich vor Augen gehabt haben.

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Der Papyrus Ebers ist ein Dokument aus jener Zeit und gilt als älteste Sammlung medizinischer Vorschriften. Rezepturen gegen »Ergrauen und Ausfallen der Haare« beispielsweise enthalten folgende Zutaten: Schildkrötenschale, Wirbelknochen des Raben, die Gebärmutter einer Katze, Rabeneier, Blut aus dem Horn eines schwarzen Ochsen, Kaulquappen aus einem Bach, das Horn einer Gazelle, den verbrannten Huf eines Esels, die Scheide einer Hündin, das Fett einer schwarzen Schlange und verbrannte Stacheln eines Igels. Das liest sich recht unterhaltsam und hat, äußerlich angewandt, wahrscheinlich niemandem geschadet. Anders verhält es sich allerdings mit dem abgedruckten Rezept zur Behandlung eitriger Entzündungen, in dem Kot von Katzen und Windhunden enthalten ist. Andere enthalten Kot von Krokodilen, Pelikanen oder Fliegen und sollen auf offene Wunden aufgetragen werden, was eindeutig zum Schaden des Patienten ist.

Die Bibel enthält dagegen nur eine einzige Vorschrift darüber, was mit Kot zu tun ist: »Du sollst eine Schaufel bei deinem Gerät haben; und es soll geschehen, wenn du dich draußen hinsetzt, so sollst du damit ein Loch graben und sollst dich umwenden und deinen Kot zudecken« (5Mo 23,14). Unzählige Infektionen, Seuchen und Epidemien hätten verhindert werden können, wenn das beachtet worden wäre.

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Obwohl die ägyptische Hochkultur auf vielen technologischen und wissenschaftlichen Gebieten Bewundernswertes geleistet hat, war die Vorgehensweise ihrer Heiler fast durchweg mystisch und esoterisch. Der vorherrschende magische Grundsatz war das Analogieprinzip »similia similibus« (das heißt: »Ähnliches mit Ähnlichem« zu heilen). Das erscheint vielleicht verwunderlich, ist aber auch fast 4.000 Jahre später noch anzutreffen: die Homöopathie basiert auf demselben Prinzip und wenn es um die eigene Gesundheit geht, geben auch in unserer Zeit nicht wenige Menschen alternativmedizinischen Methoden den Vorzug vor der wissenschaftlich begründeten »Schulmedizin«. Die biblischen Gebote sind frei von magischen Vorstellungen. Für Gott, den Schöpfer, ist es allerdings ein Leichtes, verschiedene Ebenen miteinander zu verbinden. So wie die biblischen Geschichten einerseits historische Realität sind, andererseits als Vorbilder für uns geschrieben sind (1Kor 10,6.11) und einen bildlichen Sinn haben (Gal 4,24), kann auch ein Gebot praktischen Nutzen und symbolische Bedeutung zugleich haben. Es empfiehlt sich, sowohl aus medizinischen als auch aus geistlichen Gründen, die Beschneidung am achten Tag durchzuführen; das Erste hat mit Aktivität und Konzentration der Gerinnungsfaktoren Prothrombin und Vitamin K zu tun, das Zweite mit der symbolischen Bedeutung der Zahl Acht, die einen Neubeginn markiert.

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