Ausbreitungsstrategien treiben die mikrobielle Diversität im Meer voran

Kompromisse zwischen dem Vorteil, neue Partikel zu kolonisieren, und dem Risiko, von Raubtieren ausgelöscht zu werden, ermöglichen es verschiedenen Populationen mariner Mikroben, zusammen zu existieren, zeigt eine heute in veröffentlichte Studie eLife.

Die Ergebnisse helfen zu erklären, wie eine Vielzahl unterschiedlicher Bakterien und Mikroben auf schwimmenden Partikelflößen in Ozeanen koexistieren.

Die mikrobielle Nahrungssuche in uneinheitlichen Umgebungen, in denen Ressourcen in Partikel zersplittert sind, spielt eine Schlüsselrolle in natürlichen Umgebungen. In Ozeanen und Süßwassersystemen können Bakterien und Mikroben auf unterschiedliche Weise mit Partikeloberflächen interagieren: Manche besiedeln sie nur für kurze Zeit, andere bilden langlebige, stabile Kolonien.

Wissenschaftler haben lange über die unerwartet große Vielfalt mikroskopisch kleiner Lebewesen in Ozeanen nachgedacht, ein Phänomen, das als „Plankton-Paradoxon“ bezeichnet wird. Während die Forscher begonnen haben, die Faktoren zu verstehen, die so viele verschiedene Arten von Plankton unterstützen, bleiben viele Fragen zu den reichlicheren Meeresmikroben, die von schwimmenden Partikeln leben.

„Wir wollten die Rolle untersuchen, die Ausbreitungsstrategien bei der erfolgreichen Koexistenz verschiedener Mikroben spielen, die auf demselben Partikelsatz leben“, sagt Co-Erstautor Ali Ebrahimi, der die Studie als Postdoktorand am Ralph M. Parsons Laboratory for Environmental Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, USA.

Ebrahimi und das Team verwendeten mathematische Modelle und Computersimulationen, um zu testen, wie verschiedene Ausbreitungsstrategien dazu beitragen können, dass Meeresmikroben auf diese Weise zusammen existieren. Sie fanden heraus, dass ein unterschiedliches Navigieren der Kompromisse zwischen Wachstum und Überleben Mikroben ermöglichen kann, gemeinsam zu gedeihen.

Ihr Modell zeigte, dass Organismen, die länger auf einem einzelnen Partikel sitzen bleiben, mehr Möglichkeiten haben, sich zu vermehren. Sie sind jedoch einem höheren Risiko ausgesetzt, von einem Virus oder einem anderen Raubtier ausgelöscht zu werden, das ganze Partikel verschlingen kann. Andererseits haben Mikroben, die häufiger zwischen Partikeln hin- und herspringen, weniger Möglichkeiten zur Vermehrung, haben aber auch ein geringeres Risiko, einem Massensterben ausgesetzt zu sein. Der Erfolg einer Strategie gegenüber einer anderen kann von unterschiedlichen Umgebungsbedingungen abhängen.

„Wenn das Partikelangebot hoch ist, haben Mikroben, die schnell zwischen ihnen hin und her hüpfen, eine größere Überlebenschance“, erklärt Co-Erstautor Akshit Goyal, Physics of Living Systems Fellow am MIT Department of Physics. „Aber wenn Partikel schwerer zu bekommen sind, haben die Bakterien, die dort bleiben, einen Vorteil.“

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die Koexistenz angesichts sich ändernder Umweltbedingungen stabil bleiben kann, wie z. B. Algenblüten von Partikeln, die das Wachstum begünstigen, und eine sich ändernde Anzahl von Raubtieren, die die Sterblichkeit begünstigen. Zusammen erhöhen diese unterschiedlichen Faktoren die Wahrscheinlichkeit, dass Populationen mit unterschiedlichen Ausbreitungsstrategien zusammenleben können, erheblich.

„Unsere Arbeit konzentrierte sich auf den Zusammenhang zwischen Ausbreitung und Sterblichkeit im Ozean, aber in diesen Umgebungen passiert noch viel mehr“, schließt Goyal. „Zukünftige Forschung könnte wichtige neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich Umweltveränderungen auf diese winzigen Gemeinschaften und damit auf ihr breiteres Meeresökosystem auswirken könnten.“