Forscher untersuchen, wie sich Mikroben, die sowohl essen als auch photosynthetisieren können, in einer sich verändernden Umgebung entwickeln könnten

Ein kurzer Überblick über das Leben auf der Erde ergibt normalerweise zwei Gruppen: diejenigen, die ihre eigenen Nährstoffe produzieren, und diejenigen, die sie von anderen Lebensformen beziehen müssen. Pflanzen fallen im Allgemeinen in die erste Kategorie, genannt Autotrophe, während Tiere und Pilze fast ausschließlich die zweite, Heterotrophe, sind. Aber wenn man tiefer gräbt, entdeckt man eine Vielzahl von Organismen, die beides können: Mixotrophe.

„Man könnte meinen, ein Organismus, der sowohl Photosynthese als auch Heterotrophie betreiben kann, hat den metabolischen Jackpot geknackt“, bemerkte Holly Moeller, Assistenzprofessorin an der UC Santa Barbara. „Es ist also faszinierend, darüber nachzudenken, wo die Grenzen liegen.“

Mitglieder des Moeller-Labors führten ein dreijähriges Experiment durch, um zu sehen, wie sich zwei Mixotrophe-Stämme an Änderungen der Temperatur und des Lichtniveaus anpassen würden. Das Team fand heraus, dass sich ein Stamm bei höheren Temperaturen weniger photosynthetisch entwickelte, was Auswirkungen auf das Klima haben könnte. Die Ergebnisse unterstützen auch die Idee, dass die natürliche Selektion einen stärkeren Einfluss auf Organismen mit weniger flexiblen Eigenschaften haben könnte. Die Ergebnisse erscheinen im Journal Biologie des globalen Wandels.

Die Autoren waren neugierig, ob sich Mixotrophe entwickeln würden, um bei höheren Temperaturen über viele Generationen photosynthetischer zu werden, eine Untersuchung mit Bedeutung für den Klimawandel. „Diese Organismen können entweder Kohlenstoffquellen oder Kohlenstoffsenken sein, je nachdem, auf welchen Prozess sie sich verlassen“, erklärte die Erstautorin Michelle Lepori-Bui, eine ehemalige Graduiertenstipendiatin der National Science Foundation in der Abteilung für Ökologie, Evolution und Meeresbiologie, jetzt ein Spezialist für Meerwasserqualität bei Washington Sea Grant.

Lepori-Bui wollte wissen, ob sich die Mikroben an neue Bedingungen anpassen würden, indem sie einfach ihre Genexpression verändern, oder ob sie sich über viele Generationen weiterentwickeln und dauerhafte genetische Veränderungen anhäufen würden. Frühere Studien zu Mixotrophen dauerten nur wenige Wochen, nicht genug Zeit, um tatsächliche Evolutionstrends zu identifizieren. Moeller und Lepori-Bui planten ein Experiment in viel größerem Maßstab.

Die Autoren begannen mit zwei Populationen von Mixotrophen, einer, die immer Photosynthese betreiben muss, und einer, die dies nur unter bestimmten Umständen tut. Sie teilten jeden Stamm in zwei Lichtstärken und drei Temperaturbereiche ein: 18 °C, 24 °C und 30 °C. Die Forscher verglichen die Kontrollpopulation (die sich bei 24 °C entwickelte) mit den verschiedenen Versuchsgruppen zu regelmäßigen Zeitpunkten während des gesamten Experiments. Sie setzten die Kontrollgruppe kurz unter die experimentellen Bedingungen und notierten, wie es ihr im Vergleich zu der experimentellen Gruppe erging, die diesen Bedingungen kontinuierlich ausgesetzt war. Ausgestattet mit diesen Daten konnten die Forscher feststellen, wie sich verschiedene Populationen im Verlauf des Experiments veränderten.

Die gesamte Studie, die im April 2018 begann, wurde durch die Sperrung der Pandemie-Reaktion im März 2020 fast entgleist. „Michelle [Lepori-Bui] mit viel Bestürzung, Kraft und Entschlossenheit die Pandemie überstanden haben“, sagte Moeller.

Drei Jahre später verfügten sie über Daten von 400 bis 700 Mikrobengenerationen. Dennoch war es eine Herausforderung, Trends aus den Daten zu entschlüsseln. „Diese Mixotrophen sind superkomplizierte kleine Biester, und sie wollen uns ihre Geheimnisse nicht immer so einfach verraten“, sagte Moeller. Die Forscher bemerkten eine allgemeine Zunahme der Heterotrophie bei höheren Temperaturen, insbesondere bei dem Stamm, der immer Photosynthese durchführte.

Dies deutet darauf hin, dass die Klimakrise die Rolle von Mixotrophen im globalen Kohlenstoffkreislauf verändern könnte. Mixotrophie ist häufiger als Wissenschaftler bisher angenommen hatten, insbesondere bei Plankton im nährstoffarmen offenen Ozean. Wenn Mixotrophe heterotropher werden, produzieren sie mehr CO2, was zum Klimawandel beiträgt. Dies könnte die Temperaturen weiter erhöhen und nährstoffarme Regionen des Ozeans ausdehnen, wodurch eine Rückkopplungsschleife entsteht. „Mixotrophe haben also das Potenzial, Hauptakteure im Kohlenstoffkreislauf zu werden“, bemerkte Moeller.

Allerdings war jede der Versuchspopulationen im Vergleich zur Kontrollgruppe besser an ihre Bedingungen angepasst. Beispielsweise wuchsen die heißen Gruppen schneller und nutzten den Kohlenstoff bei hohen Temperaturen besser als die Kontrollgruppe unter den gleichen Bedingungen.

„Das könnte bedeuten, dass sie mehr Kohlenstoff in der Nahrungskette nach oben leiten, was diesem Kohlenstoff die Möglichkeit gibt, in die Tiefsee gesogen und aus der Atmosphäre entfernt zu werden“, sagte Moeller. Aber die schiere Komplexität der globalen Klimasysteme macht es schwierig vorherzusagen, ob Mixotrophe in Zukunft als Kohlenstoffproduzenten oder -verbraucher fungieren werden.

Die Ergebnisse unterstützen auch die Idee, dass die natürliche Selektion einen stärkeren Einfluss auf Organismen mit starreren Merkmalen oder Phänotypen hat. „Wenn sie weniger flexibel sind, müssen sie sich über mehrere Generationen hinweg verändern, um zu überleben“, sagte Lepori-Bui.

Die phänotypische Plastizität kann jedoch in beide Richtungen schneiden. Einerseits kann die Fähigkeit, Eigenschaften während eines einzigen Lebens zu ändern, den Druck verringern, dauerhafte genetische Veränderungen vorzunehmen. Andererseits gibt es natürliches Selektionsmaterial, mit dem man arbeiten kann, und verhindert, dass eine Linie abstirbt, bevor sie sich an neue Bedingungen anpassen kann.

Moeller plant, die Rolle, die die phänotypische Plastizität bei der evolutionären Anpassung spielt, mit größeren Studien zu untersuchen, an denen eine größere Vielfalt von Mixotrophen beteiligt ist. Anfang dieses Jahres veröffentlichte das Team eine Abhandlung, in der untersucht wurde, wie sich ein Mixotroph auf den Wettbewerbsvorteil einer Art im Spiel des Lebens auswirken kann. „Wir bauen diese umfassendere Theorie Stück für Stück auf, ein langwieriges Experiment nach dem anderen“, sagte sie.

Mit seinen Experimenten startet das Labor Moeller in eine spannende neue Forschung, die untersucht, worauf es wirklich ankommt, wenn es darum geht, die Anpassung von Organismen in der Zukunft vorherzusagen. Aufgrund ihrer Komplexität lassen sich Mixotrophe nur schwer in große Umweltmodelle einbeziehen, weshalb sie oft ausgelassen werden. Mehr Informationen und Daten über Mixotrophe und wie sie sich verändern könnten, werden es einfacher machen, sie in Vorhersagemodelle einzubeziehen.

„Wir wissen kaum, wie sie das tun, was sie unter den gegenwärtigen Bedingungen tun, geschweige denn, was sie in Zukunft tun werden“, sagte Moeller. „Und doch ist es auch völlig klar, dass dies Auswirkungen darauf hat, wie sie sich auf andere Arten und den Kohlenstoffkreislauf beziehen.“