Bakterien verlassen sich auf Kooperation und Evolution, um sich gegen räuberische Protisten zu verteidigen, findet eine Studie

Essen und Gefressenwerden ist ein normaler Vorgang in der Natur. Diese Räuber-Beute-Dynamik hilft, Ökosysteme zu stabilisieren. Sie sorgt dafür, dass einzelne Arten nicht zu stark wachsen, kontrolliert ihre Populationen und verhindert Schäden durch Überbevölkerung (z. B. Wildverbiss im Wald oder Ernteschäden durch Raupen).

Aber wie kommt es, dass die Raubtiere die Beute nicht einfach wegfressen und damit das System zusammenbrechen? Ein Forscherteam des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat dies gemeinsam mit Wissenschaftlern der Technischen Universität (TU) Dresden und der Universität Potsdam anhand von in Gewässern lebenden Bakterien und Protisten untersucht und Erstaunliches entdeckt.

Laut einem kürzlich erschienenen Artikel in der ISME-Journalwehren sich Bakterien mit kooperativem Verhalten und Evolution gegen räuberische Protisten.

In einem See oder Fluss leben zwischen 1 und 10 Millionen Bakterien in nur 1 ml Wasser. Eine so hohe Dichte ist notwendig, weil Bakterien organische Verbindungen und Schadstoffe permanent abbauen und so das Wasser reinigen. Sind jedoch zu viele Bakterien vorhanden, kann dies zur Verbreitung von Krankheitserregern führen. Um dies zu verhindern, braucht es Räuber: mikroskopisch kleine Protisten, von denen es normalerweise zwischen einigen hundert und einigen tausend Individuen in 1 ml Wasser gibt.

Sie fressen ständig Bakterien und sorgen so dafür, dass die Bakterien ihre Reinigungsfunktion erfüllen, aber nicht zu zahlreich werden. Anhand des Bakteriums Pseudomonas putida und des bakteriivoren Protisten Poteriospumella lacustris untersuchte das Forschungsteam, welche Rolle die verschiedenen Abwehrstrategien der Bakterien spielen und wie die Bildung von Fressresistenzen mit der Dynamik ökologischer Systeme zusammenhängt.

Kooperatives Verhalten hilft – aber nur kurzfristig

In dem fünfwöchigen Laborexperiment stellten die Wissenschaftler fest, dass sich die räuberischen Protisten erwartungsgemäß zunächst in der Bakterienkultur für eine Woche vermehrten und die Bakterienzahl reduzierten. Die Population der Protisten brach jedoch in der zweiten Woche schnell zusammen, weil die Bakterien ein Toxin produzierten, das die Vermehrung dieser Fressfeinde stark hemmt.

„Eine solche chemische Abwehr gelingt nur, wenn relativ viele Bakterien mitmachen und entsprechend viel Gift ins Wasser abgeben“, sagt Dr. Magali de la Cruz Barron, Erstautorin und Hydrobiologin am UFZ und der TU Dresden.

Dieses kooperative Verhalten schützt die gesamte Bevölkerung – zumindest für kurze Zeit. Aber nach ein paar Tagen sonderten die Bakterien kein Toxin mehr ab und die Raubtiere erholten sich am Ende der dritten Woche. Warum das so ist, lässt sich nicht genau sagen. Eine gängige Erklärung für ein solches Phänomen ist, dass sich zu viele „Betrüger“ bilden.

Das sind in diesem Fall Bakterien, die selbst keine Giftstoffe bilden, die aber in der Gruppe davon profitieren, weil sie keine eigenen Anstrengungen unternehmen müssen, um sich zu schützen. „Aber wir könnten mit Hilfe mathematischer Simulationen zeigen, dass Betrüger nicht notwendig sind, um solche Muster zu erklären, wenn sich alternative Verteidigungsstrategien entwickeln“, erklärt Magali de la Cruz Barron.

Die individuelle Verteidigung hält lange an und stabilisiert die Bevölkerungsdichte

Und tatsächlich entdeckte das Forscherteam einen zweiten Abwehrmechanismus, den die Bakterien ab der dritten Woche entwickelten. Die meisten Bakterien bilden Filamente (dh Fäden mit in Ketten angeordneten Zellen). Diese machten die Bakterien 10- bis 100-mal größer und viel massiger, sodass viele von ihnen von den Protisten nicht mehr gefressen werden konnten. Dieses individuelle Verhalten war erfolgreich.

Die Bakteriendichte stabilisierte sich bis zum Ende der fünften Woche. Es gab jedoch noch genügend Bakterien, die gefressen werden konnten, denn um sich zu vermehren, mussten die Bakterien immer wieder kleine Einheiten bilden, die den Fressfeinden als Nahrung dienten. Dies ermöglichte es den Protisten auch, eine stabile Bevölkerungsdichte aufzubauen. Im Gegensatz zur Toxinbildung war die individuelle Abwehr der Bakterien nicht reversibel.

„Durch die Sequenzierung des Bakteriengenoms haben wir nachgewiesen, dass die Bildung der Filamente tatsächlich mit einer Veränderung des Erbguts einherging. Die Evolution hat also stattgefunden. Nicht über Millionen von Jahren, sondern innerhalb weniger Tage“, sagt Prof. Dr. Markus Weitere, Co-Autor und Leiter des UFZ-Departments Gewässerökologie. Diese Beobachtung ist nicht ganz neu. Es ist bekannt, dass die Evolution in relativ kurzen Zeiträumen stattfinden kann, insbesondere bei schnell wachsenden Organismen wie Bakterien.

„Aber das Bemerkenswerte ist, dass diese Mutation nicht nur einmal vorgekommen ist. Die Experimente wurden oft wiederholt, und diese Anpassungen wurden immer wieder vorgenommen“, sagt Weitere. Auch wenn die Veränderung im Erbgut wahrscheinlich zufällig erfolgt, führt sie zu einem reproduzierbaren Anpassungsmuster bei den Bakterien.

Mit diesem Experiment zeigte das Forschungsteam, wie sich die Bildung von Abwehrstrategien auf die Dynamik von Räuber-Beute-Systemen auswirkt und wie wichtig diese Abwehr für die Stabilisierung von Populationen ist. Es wurde auch deutlich, dass es für die Beutetiere sinnvoll ist, sich nicht nur auf eine Strategie zu verlassen.

„Je nach Situation kann eine von mehreren Strategien erfolgreich sein. In unserem Experiment war es das schnelle kooperative Verhalten, das zum anfänglichen Erfolg führte. Am Ende war es die umständlichere individuelle Abwehr durch die Evolution, die zu einer dauerhaften Abwehr führte “, sagt Weitere. Somit überwiegt der individuelle Schutz – auch wenn die anfängliche kooperative Abwehr durchaus der Gemeinschaft zugute kam.