Biologen untersuchen, was passiert, wenn Merkmale zwischen Ästen des Baums des Lebens springen

Wir alle müssen das Spiel des Lebens mit den Karten spielen, die wir ausgeteilt bekommen, so der allgemeine Aphorismus. In der Biologie bedeutet dies, dass Organismen durch natürliche Selektion mit den Genen und der Anatomie, mit denen sie geboren wurden, konkurrieren müssen.

Aber der Spruch ist eine Lüge.

Okay, es ist nicht gerade eine Lüge, aber die moderne Forschung legt nahe, dass das Spiel des Lebens viel komplizierter ist, als wir erwartet hatten. Es gibt Möglichkeiten, Karten zu tauschen und sogar die Hände anderer Spieler zu stehlen.

Forscher an der UC Santa Barbara haben die Auswirkungen dieser Strategie untersucht, insbesondere die Fähigkeit, Stoffwechselwege zu erwerben. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Übernahme eines anderen Stoffwechsels erhebliche Konsequenzen für den Wettbewerb haben kann, mit Auswirkungen auf die Evolution und Ökologie einer Art. Die Ergebnisse erscheinen im Tagebuch Ökologie.

Der Begriff „Stoffwechsel“ umfasst alle chemischen Reaktionen, die in einem Organismus ablaufen, um das Leben zu erhalten. Bei Tieren umfasst dies das A und O von Prozessen wie Atmung, Verdauung, Bewegung usw. Ein erworbener Stoffwechsel ist ein Stoffwechselweg, der nicht in der DNA eines Organismus kodiert ist.

Beispiele für erworbene Metabolismen gibt es in der Natur zuhauf. Einige sind vertraut, wie die Mikroben im Darm einer Kuh, die es ihr ermöglichen, Zellulose zu verdauen. Andere sind häufiger, aber weniger bekannt. Denken Sie zum Beispiel an die symbiotischen Pilze, die Pflanzen dabei helfen, Mineralien aus dem Boden zu gewinnen. Und dann gibt es wirklich ungewöhnliche erworbene Stoffwechselvorgänge, wie Meeresschnecken, die Chloroplasten aus ihrer Nahrung stehlen, damit sie Photosynthese betreiben können.

Während erworbene Metabolisierungen in der Literatur gut belegt sind, betrachteten frühere Forschungen hauptsächlich ihre Wechselwirkungen mit Umweltfaktoren. Die Gruppe der UC Santa Barbara untersuchte ihre Rolle in der Wachstums- und Gemeinschaftsdynamik und konzentrierte sich auf erworbene Phototrophie, wie die der Meeresschnecke. „Wir wollten wirklich verstehen, ob diese erworbene Phototrophie einem Organismus einen Wettbewerbsvorteil verschafft oder nicht“, sagte Hauptautorin Veronica Hsu, die die Studie als Studentin abgeschlossen hat.

Die Autoren betrachteten zwei einzellige Eukaryoten (Organismen, deren Zellen einen Zellkern enthalten). Die erste, eine Art der Gattung Colpidium, ernährt sich von kleineren Mikroben. Der zweite, Paramecium bursaria, ernährt sich ähnlich wie sein Gegenstück, hatte aber irgendwann in der Vergangenheit auch die Fähigkeit zur Photosynthese erworben.

Die Forscher analysierten die beiden Mikroben unter vier verschiedenen Lichtbedingungen. Colpidium kam unabhängig von der Umgebung gut zurecht; P. bursaria schnitt jedoch unter helleren Bedingungen viel besser ab, wo es seine einzigartige Fähigkeit nutzen konnte.

Dann spielten die Wissenschaftler die Mikroben gegeneinander aus. Sie beobachteten einen Gradienten von Wettbewerbsvorteilen über verschiedene Lichtniveaus hinweg. Im Dunkeln übertraf Colpidium P. bursaria. Unter hellen Bedingungen dominierte P. bursaria.

„Ich denke, es kommt zu dem Gedanken, dass man nicht in allem gut sein kann“, sagte Co-Autorin Holly Moeller, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Ökologie, Evolution und Meeresbiologie. Die Anpassung an einen erworbenen Stoffwechsel könnte zu Lasten der Jagdfähigkeit von P. bursaria gegangen sein. Aber bei hohen Lichtverhältnissen gleicht der Schub durch die Photosynthese dieses Handicap mehr als aus.

Bemerkenswerterweise konnten die beiden Mikroben unter mittleren Lichtbedingungen koexistieren. Die erworbene Phototrophie von P. bursaria ermöglichte es ihm, eine direkte Konkurrenz mit Colpidium bei dem zu vermeiden, was Wissenschaftler „Nischenpartitionierung“ nennen.

Die Ergebnisse zeigen, dass Symbiose und erworbener Stoffwechsel die Gemeinschaftsdynamik drastisch beeinflussen können. „Die Erweiterung Ihres Stoffwechselrepertoires hat kaskadierende Auswirkungen darauf, wie Sie Ihren Lebensunterhalt verdienen können und inwieweit Sie andere Organismen aus dem Weg schieben werden“, sagte Moeller.

Die Forscher wandten sich dann dem bewährten Lotka-Volterra-Modell zu, um zu beschreiben, was sie gesehen hatten. Dieses Modell ist unglaublich einfach und vielseitig und bietet Biologen ein System, das alle möglichen Ergebnisse des Wettbewerbs erfassen kann. Es wurde vor über 100 Jahren entwickelt und ist zu einem Standard für Einführungskurse in Biologie bis hin zu Peer-Review-Forschung geworden.

Und doch konnte dieses robuste System die Subtilität, die durch die erworbene Phototrophie von P. bursaria und den dadurch erzeugten Rückkopplungszyklus eingeführt wurde, nicht erfassen. Das Team musste ein eigenes Gleichungssystem entwickeln, das diese Nuancen explizit berücksichtigt. „Es gibt viele verschiedene Wege, um zu versuchen, Wettbewerbsergebnisse zu erklären“, sagte Hsu, „und ich denke, dies wirft ein Licht darauf, wie wichtig der Stoffwechsel sein kann.“

Es ist wichtig zu untersuchen, wie erworbene Stoffwechselvorgänge Evolution und Ökologie beeinflussen, da sie ein grundlegender Bestandteil des Lebens auf der Erde sind. Zum Beispiel betrachten wir die Photosynthese im Allgemeinen als eine Eigenschaft von Pflanzen. „Aber auch das ist eine uralte Anschaffung“, sagt Moeller. „Sie haben ihre Chloroplasten von einem eukaryotischen Vorfahren geerbt, der ein Cyanobakterium domestiziert hat.“

„Mitochondrien werden auch von Bakterien erworben“, fügte Hsu hinzu. Tatsächlich haben diese beiden Organellen ihre eigene DNA, die vom Kerngenom einer Zelle getrennt ist.

„So spielen Eukaryoten das Spiel seit etwa 2 Milliarden Jahren“, bemerkt Moeller. Und unsere einfacheren Gegenstücke, Prokaryoten, betreiben wohl noch mehr biologischen Kartentausch. Viele sind in der Lage, DNA in einem Prozess, der als „horizontaler Gentransfer“ bekannt ist, direkt zu teilen.

Moellers Gruppe wird die Auswirkungen erworbener Metabolisierungen weiter untersuchen. Besonders neugierig sind sie auf den Übergang von der Heterotrophie (Ernährung extern beziehen) zur Autotrophie (Lebensmittel selbst herstellen), insbesondere der Photosynthese. „Wir versuchen zu verstehen, was diese Formen des Stoffwechsels dazu bringt, um die Spitzen der Äste des Baums des Lebens zu springen“, sagte sie.

Moeller plant, mathematische Modelle zu verwenden, um diese Übergänge zu untersuchen, zusätzlich zu der Suche nach realen Fallstudien. Und zukünftige Experimente werden Mikroben umfassen, die enger miteinander verwandt sind, wodurch das Team mehr Variablen kontrollieren kann. „Die Experimente helfen uns, bessere Modelle zu bauen“, sagte sie, „während die Modelle uns helfen, besser zu verstehen, was in den Experimenten passiert ist.“

Mehr Forschung ist sicherlich willkommen. Denn in dieser verschlungenen Ecke der Biologie ist zumindest eines überdeutlich geworden: Wir hätten eine weniger dynamische, weniger komplexe Ökologie auf diesem Planeten, wenn Organismen nur mit den Karten spielen könnten, die ihnen ausgeteilt werden.