Fitness durch Langsamkeit

In einem einzigen Gramm Boden können bis zu 10.000 verschiedene Arten von Boden­bakterien existieren. Wie diese biologische Viel­falt trotz unter­schiedlicher ökologischer „Fitness“ einzelner Arten erhalten bleibt, ist eine der grund­legendsten Fragen der Ökologie. Lässt man im Labor ein Gemisch aus Boden­bakterien gleich­zeitig wachsen, setzt sich schließlich der am stärksten wachsende Stamm durch und alle anderen sterben aus. Der LMU-Physiker Erwin Frey hat mit seiner Mit­arbeiterin Marianne Bauer unter­sucht, warum dies in der Natur nicht der Fall ist. Wie die Wissen­schaftler berichten, führt die verzögerte Anpassung an wechselnde Lebens­umstände zu einer stabilen Koexistenz verschiedener Spezies.

Der Boden ist ein komplexer Lebensraum, der von einem labyrinth­artigen Poren­system durch­zogen ist. Über diese Poren können Bakterien abhängig vom Wasser­gehalt sowohl mit benach­barten Populationen in Kontakt kommen als auch Nähr­stoffe aus­getauscht werden. „Uns hat interessiert, ob die räumliche Variabilität die Stabilität der Populationen beeinflussen kann“, sagt Marianne Bauer. Dazu unter­suchten die Wissen­schaftler mit­hilfe mathematischer Simulationen ein ver­einfachtes System, in dem die Bakterien­population nur aus zwei Spezies besteht. In dem Modell ist eine Spezies für die gesamte Population nützlich, etwa indem sie für alle hilf­reiche Enzyme produziert, wächst aber langsamer als die andere Spezies. Unter Labor­bedingungen würde in diesem Fall die langsamer wachsende Spezies mit der Zeit aussterben.

In ihrem neuen Modell gehen die Wissenschaftler davon aus, dass die Individuen beider Spezies sich nur verzögert an schwankende Umwelt­bedingungen anpassen, also ihre Wachstums­geschwindigkeit noch einige Zeit bei­behalten, auch wenn sie beispiels­weise in Bereiche mit anderen Nähr­stoff­angeboten oder pH-Werten gelangen. Wie die Simulationen zeigten, wirkt sich diese verzögerte Anpassung positiv auf die Gesamt­population aus, sodass beide Spezies lang­fristig ko­existieren.

Das Wachstum beider Spezies hängt von der Verfüg­barkeit der Enzyme ab, daher können in einer lokalen Population mit vielen „langsamen“ Bakterien die langsam wachsenden Individuen sogar schneller wachsen als schnell wachsende Individuen in einer Umgebung, in der es nur sehr wenige langsam wachsende Bakterien – und damit nur wenig Enzyme – gibt. „Da über die Poren ein Austausch zwischen den Populationen möglich ist, können letztlich in einer Pore verschiedene Individuen einer Spezies mit ganz verschiedenen Wachstums­raten vorkommen. Dadurch können beide Spezies überleben“, sagt Bauer. „Dies funktioniert bei einem breiten Spektrum verschiedener Poren­systeme und auch bei über­raschend hohen Unter­schieden der Wachstums­geschwindigkeiten.“

Nach Ansicht der Wissenschaftler bedeutet die stabile Koexistenz der beiden Spezies über große Para­meter­bereiche darauf hin, dass verzögerte Reaktionen auf Veränderungen des Lebens­raums ein signifikanter Faktor für den Erhalt der biologischen Vielfalt sein können. „Deswegen sind Experimente, die mögliche räumliche Strukturen berücksichtigen, besonders interessant, um Bio­diversität in realistischen Systemen zu untersuchen“, sagt Frey.

LMU / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Bauer & E. Frey: Delays in Fitness adjustment can lead to coexistence of hierarchically interacting species, Phys. Rev. Lett. 121, 268101 (2018); DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.268101
• Statistische und biologische Physik (E. Frey), Ludwig-Maximilians-Universität München