Symbiose: Es ist kompliziert

Viele Organismen sind in koabhängige Beziehungen zu den in ihnen lebenden Mikroben eingebunden. Aber manchmal beherbergen diese ansässigen Mikroben selbst noch winzigere Gäste.

Kunst: Natalya Zahn

Haben Sie von tropischem Panikgras, auch bekannt als Dichanthelium lanuginosum, gehört? Wahrscheinlich nicht. Aber wenn Sie den Yellowstone-Nationalpark im amerikanischen Westen besucht haben, haben Sie vielleicht gesehen, wie seine wuscheligen Wedel aus dem sengenden Schlamm der Geysirbecken, geothermischen Quellen oder Schlammtöpfe des Parks hervorquollen. Der Name des Grases gibt einen Hinweis auf sein fieberhaftes Temperament: Es ist eine der wenigen Pflanzen, die in den lodernden geothermischen Böden des Parks überleben können.

Die Antwort auf das Warum liegt im Konzept der Symbiose.

Okay, was ist "Symbiose"?

In den späten 1870er Jahren führten die deutschen Wissenschaftler Albert Frank und Heinrich Anton de Bary den Begriff „Symbiose“ in die Biologie ein. Aus dem Griechischen für "zusammen" und "leben" sollte eine neu identifizierte Art von Beziehung zwischen Organismen beschrieben werden. Wissenschaftler hatten herausgefunden, dass Flechten tatsächlich aus einem Pilz und einer Alge in einer engen und für beide Seiten vorteilhaften Allianz bestehen. Die Alge verwendet Sonnenlicht, um Nahrung für den Pilz herzustellen, während der Pilz Mineralien, Wasser und Schutz bietet. Es stellte sich als revolutionärer Befund heraus.

In den mehr als einem Jahrhundert seitdem wurde festgestellt, dass Symbiosen eine wesentliche Rolle für die Entwicklung und das Überleben fast aller Organismen spielen. Menschen, Tiere, Pflanzen, Korallen und Insekten sind stark von Mikroben abhängig, die wiederum von ihren Wirten abhängen. Betrachten Sie die Darmbakterien, die die Gesundheit von Mensch und Tier unterstützen, die Algen, die Korallenriffe antreiben, oder die Mitochondrien, die unsere Zellen zum Laufen bringen. Es stellt sich heraus, dass diese Geben und Nehmen-Beziehungen zum Mikrobiom für das Leben auf der Erde wesentlich sind. Sie sind in der Tat so universell und von größter Bedeutung, dass einige Wissenschaftler Anfang dieses Jahres eine umfassende Neuzuordnung von Darwins Lebensbaum forderten, um sie zu berücksichtigen.

"Russische Puppe" Symbiose

Um zu verstehen, wie aufwändig einige Symbiosen mit Mikroben verstrickt sein können, ist es hilfreich, einen Blick auf die sogenannten russischen Puppensymbionten zu werfen. Ähnlich wie die farbenfrohen Volkskunstfiguren, nach denen sie benannt sind, passen die Organismen in diesen Partnerschaften in Arrangements mit mehreren Arten, die manchmal auch als verschachtelte Endosymbiosen bezeichnet werden, eng ineinander. Ein Insekten- oder Pflanzenwirt enthält einen Pilz, ein Virus oder ein Bakterium, das wiederum einen anderen Pilz, ein anderes Virus oder ein anderes Bakterium verschlingt, und die drei arbeiten zusammen, um ihr gemeinsames Überleben sicherzustellen. Diese kostenlosen Anhalter können zusammenarbeiten, damit der Wirt bestimmte schwer verdauliche Lebensmittel wie Wirbeltierblut oder Pflanzensaft oder Holz metabolisieren kann, oder sie können dem Wirt helfen, sich gegen Angreifer zu verteidigen, oder in extremen Umgebungen einen Überlebensvorteil bieten.

Ein Gras, das fast kochende Temperaturen überstehen kann?

Nehmen Sie die Panikgräser, die den brutzelnden Boden im Yellowstone Park lieben. Wissenschaftler wissen seit langem, dass endophytische Pilze im Gras wachsen und dass Gras und Pilze zusammen Temperaturen von über 149 Grad Fahrenheit standhalten können. Alleine kann keiner der Organismen die Hitze aufnehmen: Sie können nicht mehr als 100 Grad überleben, wenn sie getrennt sind. Im Jahr 2006 identifizierten vom NIH finanzierte Wissenschaftler ein Virus, das in diesem Pilz lebt. Was wie eine lebenslange Ehe zwischen zwei Partnern ausgesehen hatte, war in der Tat eine Art Polygamie. Als das Virus eliminiert wurde, verloren sowohl der Pilz als auch das Gras ihre Hitzebeständigkeit. Als das Virus wieder eingeführt wurde, kehrte die Hitzebeständigkeit zurück. Die genaue Rolle, die das Virus in dieser Beziehung spielt, ist nicht vollständig geklärt, aber Forscher glauben, dass Osmoprotektiva wie Trehalose, Glycinbetain und Taurin, die Organismen helfen, extreme Flüssigkeitsungleichgewichte zu überleben, beteiligt sein könnten. Ein Pigment namens Melanin, das die Stresstoleranz von in Gesteinen lebenden Pilzen verbessern soll, und Hitzeschockproteine ​​können ebenfalls eine Rolle spielen.

Eine rotierende Bakteriengruppe hilft mehligen Insekten, bei nährstoffarmen Diäten zu überleben

Manchmal haben die Partner in diesen Triplett-Arrangements, obwohl sie technisch nicht ohne einander leben können, Engagementprobleme. Die meisten Mealybugs enthalten beispielsweise Bakterien, die in anderen Bakterien verschachtelt sind und bei der Herstellung bestimmter essentieller Nährstoffe zusammenarbeiten. Zum Beispiel enthalten der Wirt und seine inneren Bewohner jeweils eines oder mehrere der neun Gene, die zur Herstellung einer essentiellen Aminosäure namens Phenylalanin erforderlich sind, ohne die der Mealybug mit seiner typischen nährstoffarmen Ernährung nicht überleben könnte. Einige Forscher haben spekuliert, dass die Co-Symbionten Metaboliten zwischen ihnen transportieren müssen, um die Synthese der Aminosäure abzuschließen. Und doch hat sich das, was bestimmte Bakterien zusammen mit den Mealybugs zusammenbringen, im Laufe der Zeit und zwischen den Arten verschoben. Während das äußere Bakterium - ein Käfer namens Tremblaya - dazu neigt, konstant zu bleiben, ist die Identität des inneren Bakteriums sehr variabel. (Obwohl immer aus einer einzigen Linie, die als Sodalis bekannt ist.) Wissenschaftler wissen dies, weil viele Mealybugs nicht nur von der DNA ihrer derzeitigen Bewohner abhängen - sie enthalten auch die DNA von Bakterien, die sich nicht mehr in ihnen befinden - die gestohlene DNA hilft ihnen bei der Herstellung Nährstoffe, die seine derzeitigen Bewohner nicht können. Wie genau dieses Ein- und Auswechseln der inneren Bakterien und ihrer DNA geschieht, ist jedoch noch nicht bekannt.

Während einige der Partner in Triplett-Arrangements ihre Wirte über die Umgebung kolonisieren oder in die Wirts-DNA integriert werden - wie wir bei den Mealybugs gesehen haben - werden andere sozial von einem Wirt zum nächsten übertragen oder teilen sich zusammen mit der Wirtszelle. Die letzten beiden Mittel werden von Termiten verwendet, deren Darmsymbionten - amöbenähnliche Protisten - wiederum ihre eigenen bakteriellen Symbionten enthalten. Gemeinsam arbeiten die Bakterien und die Protisten daran, dass die Termite Holz verdaut. Obwohl die meisten Darmprotisten jedes Mal verloren gehen, wenn eine Termite schmilzt - was bei ihrer Reifung dreimal vorkommt -, werden die Protisten während des Transfers von Nahrungsmitteln oder Flüssigkeiten zwischen Mitgliedern der Termitenkolonie wieder aufgefüllt. (Termiten und andere soziale Insekten nehmen häufig am Austausch von erbrochenem flüssigem Futter teil, einem Prozess, der als Trophylaxe bezeichnet wird.) Die bakteriellen Endosymbionten teilen sich währenddessen jedes Mal, wenn sich die Protisten der Termiten teilen, und reproduzieren sich.

Was soll das alles heißen?

Wie haben sich diese Arrangements für russische Puppen entwickelt? Das ist eine Frage, die Wissenschaftler immer noch rätseln, aber zumindest für die Termite und ihre Symbionten scheint der Prozess stattgefunden zu haben, während sich die Art noch zu ihrer gegenwärtigen Form entwickelte. In einem 2007 in Molecular Ecology veröffentlichten Artikel beschrieb ein internationales Wissenschaftlerteam einen Prozess der Kospeziation zwischen Termiten, Protisten und Bakterien auf der Grundlage genetischer Analysen. Es war die erste Studie zur Co-Speziation in einer Symbiose mit mehreren Arten.

Symbiosen mit mehreren Arten können sich als häufiger herausstellen, als wir glauben. Erst letztes Jahr entdeckten Forscher, dass die meisten Flechten zwei Pilze enthalten, nicht einen. Es ist eine faszinierende Erkenntnis, da Flechten genau das Studium solcher für beide Seiten vorteilhaften Allianzen gestartet haben.

I Contain Multitudes ist eine mehrteilige Videoserie, die sich der Erforschung der wunderbaren, verborgenen Welt des Mikrobioms widmet. Die Serie wird vom Wissenschaftsautor Ed Yong moderiert und von den HHMI Tangled Bank Studios in Zusammenarbeit mit Room 608 produziert.