Wie vielfältige mikrobielle Gemeinschaften stabil bleiben

Regierungskoalitionen lösen sich oft auf, wenn zu viele Parteien in zu vielen Fragen uneins sind. Auch wenn eine Koalition für einige Zeit stabil erscheint, kann eine kleine Krise eine Kettenreaktion auslösen, die schließlich das System zusammenbrechen lässt. Eine am Fachbereich Physik der Bar-Ilan-Universität durchgeführte Studie zeigt, dass dieses Prinzip auch für Ökosysteme gilt, insbesondere für bakterielle Ökosysteme.

In einem Ökosystem können sich verschiedene Arten gegenseitig negativ beeinflussen. Der Gepard zum Beispiel jagt das Zebra und die Bäume im Dschungel konkurrieren miteinander um das Sonnenlicht. Umgekehrt können sich Arten gegenseitig positiv beeinflussen, wie die Biene, die Blumen bestäubt. In den 1970er Jahren sagte der renommierte Mathematiker und Biologe Robert May den Zusammenbruch von Koalitionen in Ökosystemen voraus, etwa bei Bäumen in Regenwäldern, Tieren in Savannen oder Fischen in Korallenriffen. Laut May kann ein Ökosystem instabil werden und zusammenbrechen, wenn es zu viele Arten enthält oder wenn die Verbindungsnetzwerke zwischen ihnen zu intensiv sind. Mit anderen Worten, kleine Ökosysteme in der Natur zeichnen sich nach Mays Theorie im Allgemeinen durch starke Bindungen aus, während große Systeme durch schwache Bindungen gekennzeichnet sind. Bisher war Mays Theorie aufgrund der Schwierigkeit, diese Netzwerke zu messen, schwierig zu beweisen.

In der neuen Studie, veröffentlicht in Naturökologie & EvolutionYogev Yonatan und Guy Amit aus der Forschungsgruppe von Dr. Amir Bashan vom Fachbereich Physik der Bar-Ilan-Universität in Zusammenarbeit mit Dr. Yonatan Friedman von der Hebräischen Universität den ersten Beweis für Mays Theorie in mikrobiellen Ökosystemen.

Das Mikrobiom ist für unsere Gesundheit von großer Bedeutung – etwa für die Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen und das Training unseres Immunsystems. Störungen des ökologischen Gleichgewichts sind mit vielen negativen Auswirkungen auf unser körperliches und geistiges Wohlbefinden verbunden, von Fettleibigkeit über psychische und verschiedene psychiatrische Erkrankungen bis hin zum Risiko chronischer Krankheiten wie Diabetes und Krebs. Einige Interventionen wurden eingeführt, um ein gesundes Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, darunter diätetische Elemente, die Einnahme von Probiotika, Antibiotika und Stuhltransplantationen. Außerhalb des menschlichen Körpers spielen Bakterien eine entscheidende Rolle bei der Schaffung der Lebensbedingungen größerer Organismen. Sie sind notwendig für den Abbau von Nährstoffen, die Regulierung der Produktion und den Abbau von Gasen in der Atmosphäre, einschließlich Treibhausgasen, Methan, Kohlendioxid und mehr.

Die Forscher entwickelten eine neuartige Berechnungsmethode, die es ermöglicht, den Grad der Konnektivität im Ökosystem (ein Maß für die Anzahl der Verbindungen im Netzwerk und ihre Stärke) abzuschätzen, indem große Datenmengen aus einer Vielzahl von mikrobiellen Gemeinschaften analysiert werden, ohne dass sie erstellt werden müssen eine detaillierte Karte aller Wechselwirkungen – analog dazu, wie die Temperatur eines Glases Wasser gemessen werden kann, ohne die Geschwindigkeit und Position jedes Wassermoleküls vollständig zu kennen.

Zunächst testeten die Forscher die neue Methode an simulierten Daten der ökologischen Dynamik. Später analysierten sie Daten aus Tausenden von Proben von Bakterienpopulationen aus verschiedenen Organen des menschlichen Körpers und von Bakterienpopulationen, die auf Meeresschwämmen in Korallenriffen an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt leben. In jeder ökologischen Umgebung verglichen sie die Anzahl verschiedener Arten in der Bakterienpopulation und den Grad der Konnektivität des ökologischen Netzwerks und fanden erste Hinweise auf die Existenz des Stabilitätsprinzips von Robert May in diesen Systemen.

Das Verständnis der Stabilitätsprinzipien bakterieller Gemeinschaften ist aus zwei Gründen wichtig. Stabilitätsprinzipien sind die Spielregeln, die die Entwicklung des Ökosystems in einer bestimmten Umgebung vorgeben und helfen, wissenschaftliche Fragen zu beantworten, beispielsweise warum sich an verschiedenen Orten unterschiedliche Bakterienpopulationen entwickeln oder warum die Anzahl der Arten von Ort zu Ort unterschiedlich ist. Ein zweiter Grund ist, dass Ökosysteme kollabieren können, wenn das ökologische Gleichgewicht durch menschliche Eingriffe gestört wird. Dies gilt für Korallenriffe in Australien und Regenwälder in Brasilien, und es gilt auch für Bakterienpopulationen bei Menschen und in der Umwelt. Es ist wichtig abzuschätzen, wie nahe diese Systeme dem Kollaps sind, damit wir wissen, wie wir Schäden vermeiden und wie sie rehabilitiert werden können.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl verschiedener Bakterienarten, die in derselben ökologischen Umgebung überleben können, durch die Stärke der Wechselwirkungen zwischen ihnen begrenzt ist. Zum Beispiel finden wir im Darm, wo es eine Fülle von Nahrung für Bakterien und einen weniger intensiven Wettbewerb um Ressourcen gibt, Dutzende bis Hunderte verschiedener Arten von Bakterien. Das Gegenteil ist an anderen Orten der Fall, wo die Konkurrenz hart und die Artenzahl gering ist. Das Verständnis der Stabilitätsprinzipien von Bakterienpopulationen ist besonders wichtig, wenn wir daran interessiert sind, Behandlungen zu entwickeln, die Versuche beinhalten, ihre Zusammensetzung zu beeinflussen, zu verändern und zu kontrollieren. Daher ist das Verständnis der ökologischen Gesetze, die die Bakterienpopulationen im Menschen und in der Welt regeln, sowohl für die Entwicklung medizinischer Behandlungen als auch für den Schutz der Umwelt sehr wichtig.

Das Thema dieser Forschung, die im Allgemeinen von Forschern der Lebenswissenschaften untersucht wird, ist ein Beispiel für einen in den letzten Jahren zunehmenden Trend zur multidisziplinären Forschung, bei der komplexe Probleme von Experten verschiedener Disziplinen untersucht werden. In dieser Studie verwendeten Physiker Werkzeuge aus den Bereichen statistische Physik, nichtlineare Dynamik, Netzwerkwissenschaft und Datenwissenschaft, um Probleme zu untersuchen, die durch große Datenmengen gekennzeichnet sind, von denen Netzwerke in Bakterienpopulationen oder verschiedene menschliche Interaktionen nur ein Teil sind.