Bakterien gehen auf Nummer sicher
Langwierige Anpassungen
Die Welt, in der wir alle - Mensch, Tier und Pflanze - leben, ändert sich ständig. Alle Arten sind gezwungen, sich permanent an neue Lebensbedingungen anzupassen. Das heißt, sie müssen auf Umweltfaktoren reagieren, um überlebensfähig zu bleiben. Genetische Anpassungen sind allerdings ein eher langwieriger evolutionärer Prozess.
Der Phänotyp ist das äußere Erscheinungsbild einer Art, in dem sich auch erworbene Eigenschaft spiegeln, im Gegensatz zum Genotyp, der die gesamte genetische Ausstattung eines Organismus umfasst.
Tatsächlich verändert sich die Umwelt oft sehr schnell, andere Strategien sind daher gefragt. Eine Möglichkeit sind zufällige Veränderungen des Phänotyps in mehrere Richtungen. Das Risiko wird durch die Streuung minimiert. "Nicht alles auf ein Karte setzen" ist offenbar nicht nur im Casino und bei Geldgeschäften sinnvoll, sondern auch im echten Leben, genauer gesagt bei der Fortpflanzung.
"Nicht alles auf eine Karte setzen"
"to hedge a bet" bedeutet im Deutschen so viel wie "auf Nummer sicher gehen (das Risiko minimieren)"
In der Biologie sind derartige Strategien unter den Namen "bet-hedging" schon länger bekannt. Im Evolutionsgeschehen stellt bet-hedging nicht die übliche Anpassung an die Umgebung dar, bei der sich die Träger vorteilhafter Mutationen gegen andere Individuen durchsetzen, die diese Mutation nicht aufweisen.
Vielmehr handelt es sich um eine Strategie, bei der von einer Generation Nachkommen produziert werden, die zwar genetisch identisch sind, sich aber in ihrer Anpassung an die jeweilige Umwelt unterscheiden: Einige Nachkommen sind an die bestehenden Umweltbedingungen optimal angepasst, während sich andere Nachkommen unter völlig anderen Bedingungen am wohlsten fühlen würden.
Bei einer schnellen und dramatischen Änderung der Umgebung, können sie aber plötzlich im Vorteil sein und dadurch das Überleben der Art sichern. Der evolutionäre Vorteil dieser "bet-hedging"-Strategie ist dabei umso größer, je drastischer und unvorhersehbarer sich die Umweltbedingungen ändern. Bakterielle Krankheitserreger besitzen beispielsweise solche Mechanismen zur Risikostreuung: Indem genetisch identische Zellen unterschiedliche Oberflächen ausbilden, entkommen einige der Erreger dem menschlichen Immunsystem. Weitere Beispiele sind aus dem Tier- und Pflanzenreich bekannt.
Aus Vorteilen werden Nachteile
Für ihre aktuelle Studie haben die Forscher rund um Christian Kost vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena Bakterien der Art Pseudomonas fluorescens untersucht.
Pseudomonas fluorescens vermehren sich sehr schnell, nämlich alle 52 Minuten. Aufgrund ihrer kurzen Generationszeit sind sie besonders geeignet, Evolution im Reagenzglas zu beobachten. Außerdem können neu entstandene Mutationen in der DNA aufgrund ihres relativ kleinen Genoms vergleichsweise leicht gefunden werden.
Für ihre Experimente setzten die Wissenschaftler Pseudomonas-Stämme abwechselnd ungeschütteltem oder geschütteltem Nährmedium aus, um so Varianten zu erzeugen, die aufgrund vorteilhafter Mutationen im Erbgut entweder "geschüttelt" oder "ungeschüttelt" einen Vorteil hatten. In beiden Umwelten musste sich also jede durch Mutation neu entstandene Variante, gegen alle nicht mutierten Vertreter des Ausgangsstammes durchsetzen.
Unter der Annahme, dass sich eine Variante, die sich äußerlich von ihrem Vorgänger unterschied (zum Beispiel glatte vs. raue Oberfläche), auch gegen diesen durchgesetzt hatte, wurde der jeweils häufigste Vertreter dieser neuen Varianten ausgewählt und der jeweils anderen "Umwelt" ausgesetzt. Eine für das geschüttelte Nährmedium vorteilhafte Mutation wurde dadurch zum Nachteil im ungeschüttelten Medium und umgekehrt. Deshalb mussten neue Mutationen und damit neue Varianten entstehen, die diesen Nachteil wieder kompensierten. Kaum hatten sich die Bakterien also an eine Umgebung angepasst, wurden sie gezwungen, sich erneut umzustellen.
Ein Genotyp, mehrere Varianten
Durch den ständigen und regelmäßigen Wechsel zwischen geschütteltem und ungeschütteltem Medium entstanden nach kurzer Zeit Typen mit gleicher genetischer Ausstattung (Genotypen), die immer zwei verschiedene Varianten erzeugten. Sie erwiesen sich in weiterer Folge als die Erfolgreicheren im Bakterienpool.
Eine Genanalyse ergab, dass beide Varianten auf genetischer Ebene absolut identisch waren. Insgesamt unterschied sich der bet-hediging-Genotyp durch neun Mutationen vom Ursprungsstamm, mit dem das Experiment gestartet worden war.
"Unsere Experimente belegen, dass Risikostreuung eine sehr erfolgreiche Anpassung an sich rasch ändernde Umweltbedingungen ist. Denn wenn ein und derselbe Genotyp gleichzeitig mehrere Varianten hervorbringt, kann er schneller auf starke Änderungen der Lebensbedingungen reagieren", sagt Christian Kost. Und Paul Rainey, Leiter der Studie an der Massey University Auckland ergänzt: "Bet-hedging war möglicherweise eine der ersten Strategien von Organismen, um sich an immer wieder wandelnde Umweltbedingungen auf der Erde anzupassen. Dies lässt sich aus der Leichtigkeit schließen, mit der die Strategie in unseren Experimenten entstand."
science.ORF.at
- Evolution 40.000 Generationen lang untersucht
- Evolution im Joghurtbecher
- Bakterieller "Gen-Klau": Erbfaktor für die Anpassung
- Evolution im Reagenzglas: Vom Ein- zum Mehrzeller
