Symbiose: Es ist kompliziert

Viele Organismen sind in ko-abhängige Beziehungen zu den in ihnen lebenden Mikroben eingebunden. Aber manchmal beherbergen diese ansässigen Mikroben selbst noch kleinere Gäste.

Kunst: Natalya Zahn

Haben Sie von tropischem Panikgras, auch bekannt als Dichanthelium lanuginosum, gehört? Wahrscheinlich nicht. Wenn Sie jedoch den Yellowstone-Nationalpark im Westen der USA besucht haben, haben Sie vielleicht gesehen, wie sich seine wackeligen Blätter aus dem sengenden Schlamm der Geysirbecken, der geothermischen Quellen oder der Schlammtöpfe des Parks lösten. Der Name des Grases gibt einen Hinweis auf sein fiebriges 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 intimen 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 revolutionäre Erkenntnis heraus.

Seit mehr als einem Jahrhundert hat sich herausgestellt, dass Symbiosen eine wesentliche Rolle für die Entwicklung und das Überleben nahezu jedes Organismus 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 Wechselbeziehungen zum Mikrobiom für das Leben auf der Erde unerlässlich sind. Sie sind so universell und von größter Bedeutung, dass einige Wissenschaftler Anfang dieses Jahres eine umfassende Neuabbildung von Darwins Lebensbaum forderten, um sie zu berücksichtigen.

"Russische Puppe" Symbiose

Um zu verstehen, wie aufwändig sich einige Symbiosen mit Mikroben verwickeln können, ist es hilfreich, die sogenannten russischen Puppensymbionten zu betrachten. Ähnlich wie die farbenfrohen Volkskunstfiguren, nach denen sie benannt sind, passen die Organismen in diesen Partnerschaften eng ineinander, und zwar in artenübergreifenden Anordnungen, die manchmal auch als verschachtelte Endosymbiosen bezeichnet werden. Ein Insekt oder ein 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 kooperieren, um ihr gemeinsames Überleben zu gewährleisten. Diese kostenlosen Anhalter können zusammenarbeiten, um es dem Wirt zu ermöglichen, bestimmte schwer verdauliche Nahrungsmittel wie Wirbeltierblut oder Pflanzensaft oder Holz zu metabolisieren, 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 widerstehen können. Alleine kann kein Organismus die Hitze ertragen: Sie können nicht mehr als 100 Grad überleben, wenn sie getrennt sind. 2006 identifizierten Wissenschaftler, die vom NIH finanziert wurden, 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 beseitigt war, 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. Die Forscher glauben jedoch, dass Osmoprotektiva wie Trehalose, Glycinbetain und Taurin beteiligt sein können, die Organismen helfen, extreme Flüssigkeitsungleichgewichte zu überleben. Ein Pigment namens Melanin, das die Stresstoleranz von in Gesteinen lebenden Pilzen erhöhen soll, und Hitzeschockproteine ​​könnten ebenfalls eine Rolle spielen.

Ein rotierender Bakterientopf hilft mehligen Käfern, auf nährstoffarmen Diäten zu überleben

Manchmal haben die Partner dieser Triplett-Arrangements, obwohl sie technisch nicht ohne einander leben können, Engagement-Probleme. Die meisten Wanzen enthalten beispielsweise Bakterien, die in anderen Bakterien eingebettet sind, die 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 bei seiner typischen nährstoffarmen Ernährung nicht überleben könnte. Einige Forscher haben spekuliert, dass die Co-Symbionten Metaboliten zwischen sich transportieren müssen, um die Aminosäuresynthese zu vervollständigen. Und doch hat sich der Partner bestimmter Bakterien zusammen mit den Mehlwanzen im Laufe der Zeit und über die Arten hinweg verschoben. Während das äußere Bakterium - ein Käfer namens Tremblaya - dazu neigt, konstant zu bleiben, ist die Identität des inneren Bakteriums sehr unterschiedlich. (Obwohl immer aus einer einzigen als Sodalis bekannten Linie.) Wissenschaftler wissen dies, weil viele Mehlwanzen nicht nur von der DNA ihrer derzeitigen Bewohner abhängen - sie enthalten auch die DNA von Bakterien, die nicht mehr in ihnen vorhanden sind - 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 geklärt.

Während einige der Partner in Triplett-Anordnungen ihre Wirte über die Umgebung besiedeln oder in die Wirts-DNA integriert werden - wie wir bei den Mehlwanzen 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 Bakteriensymbionten 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 mausert - was im Laufe der Zeit dreimal vorkommt -, werden die Protisten während des Transports von Nahrungsmitteln oder Flüssigkeiten zwischen Mitgliedern der Termitenkolonie wieder aufgefüllt. (Termiten und andere soziale Insekten tauschen normalerweise erbrochene flüssige Nahrung aus, ein Prozess, der als Trophylaxe bezeichnet wird.) Die bakteriellen Endosymbionten teilen sich währenddessen jedes Mal, wenn sich die Protisten der Termiten teilen, und vermehren sich.

Was soll das alles heißen?

Wie haben sich diese russischen Puppenarrangements 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 in ihre aktuelle Form entwickelt hat. In einem 2007 in Molecular Ecology veröffentlichten Artikel beschrieb ein internationales Wissenschaftlerteam einen Prozess der Cospeciation zwischen Termiten, Protisten und Bakterien auf der Grundlage genetischer Analysen. Es war die erste Studie zur Co-Speziation in einer Multispezies-Symbiose.

Mehrarten-Symbiosen können sich als häufiger herausstellen, als wir glauben. Erst letztes Jahr stellten Forscher fest, dass die meisten Flechten zwei Pilze enthalten, nicht einen. Dies ist eine faszinierende Erkenntnis, da Flechten genau diese für beide Seiten vorteilhaften Allianzen untersucht 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.