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News: Der Boden zu unseren Füßen

Wenn es um Mikroorganismen geht, so müssen wir die gewohnten Bahnen des biologischen Denkens verlassen. So sind in kultivierten Böden häufig mehr verschiedene Bakterien und Pilze zu finden als im heimischen Wiesengrund. Denn während sie in dem einen Lebensraum ihre Ruhe haben und lokale Populationen bilden, werden sie im anderen immer wieder heftig durcheinandergewirbelt.
Wenn Sie im Garten arbeiten, einen Spaziergang durch den Wald machen oder auf irgendeine seltsame Art und Weise in das Labor von Ann Kennedy an der Washington State University geraten, können sie eine chemische Verbindung mit Namen Geosmin riechen. Im Labor strömt sie von den kleinen krustigen Erhebungen und Auswüchsen in Petrischale aus, den Actinomyceten.

An der Grenze zwischen Bakterium und Pilz

Das sind Mikroorganismen an der Schwelle zwischen Bakterien und Pilzen. Ihrer Zellwände wegen werden sie zu den Bakterien gezählt, aber wie die Pilze bilden sie Ranken-ähnliche Hyphen aus. Actinomyceten sind interessante Zeitgenossen. Sie sind in der Lage, recht komplexe organische Verbindungen abzubauen und ernähren sich von ansonsten unverdaulichen Substanzen wie Cellulose und Chitin. Außerdem bilden sie auch Antibiotika, zum Beispiel Streptomycin.

Obwohl die Actinomyceten gesunden Böden ihren charakteristischen Geruch verleihen, sind sie lediglich Teil einer vielfältigen Bevölkerung des Bodens mit unterschiedlichsten Bewohnern. Es wurde geschätzt, daß die Menge der bodenlebenden Bakterien das Gewicht aller Menschen, anderer Säugetiere und Vögel um das Zehnfache übertrifft. Nimmt man die anderen Organismen im Boden hinzu, wie Protozoen, Arthropoden, Würmer, Pilze und Algen, steigt das Verhältnis sogar auf 50:1. Ein einziges Gramm Erde aus der Wurzelzone von Pflanzen kann eine Milliarde von Bakterienzellen enthalten, mit einer Vielfalt von vier- bis fünftausend verschiedenen Bakterientypen.

Obwohl die Anzahl der bekannten mikrobiellen Arten 110 000 übersteigt, sind Schätzungen zufolge nur 13 Prozent der mikrobiellen Erdbevölkerung identifiziert worden. Noch geringer ist die Zahl derjenigen, die untersucht oder in Stammsammlungen vorrätig sind.

Mikrobielle Vielfalt und Variabilität

Allerdings verdienen Mikroorganismen eine neue Denkweise, wenn man von ihrer Mannigfaltigkeit spricht. Kultivierter Boden zum Beispiel zeigt eine größere mikrobielle Vielfalt als einheimische Grasland-Böden. Während in unberührtem Boden Mikroben dazu neigen, abgegrenzte Räume und Gesellschaften zu bilden, werden sie in einem bestellten Boden gleichmäßig verteilt. "Wenn wir den Boden bestellen, glauben wir, daß wir genau das Richtige tun", sagt Ann Kennedy. "Aber was passiert, ist, daß diese Gesellschaft hektisch aktiv wird". Sobald dieses System gestört wird, fangen die Bakterien sofort an, sich den neuen Umständen anzupassen.

Es gibt da manchmal Nebendarsteller an der Peripherie des Systems. Störungen des Systems können bewirken, daß sie ihren Platz wechseln und anschließend eine ganz andere Rolle spielen. "Es ist nicht so, daß sie völlig anders werden", sagt Kennedy, "aber es geht so weit, daß sie unter den veränderten Bedingungen leben können".

Diese Anpassungsfähigkeit führt dazu, daß Bakterien einer Art sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. Gerade weil sie so anpassungsfähig sind und Mutationen schnell zum Tragen kommen, hat das Konzept der "Art" nur einen begrenzten Gebrauchswert, wenn man es auf Mikroorganismen übertragen will. Ein Beispiel: Sowohl Kennedy als auch der Pflanzenpathologe Jim Cook untersuchen das Bakterium Pseudomonas fluorescens. Einige Stämme davon greifen Weizen an, indem sie eine Verbindung produzieren, welche die Lipidsynthese in bestimmten Weizensamen hemmt. Dagegen ist der Stamm, den Cool untersucht, nur für Pilze schädlich, nicht aber für Weizen. Genau das ist der Punkt, worum es bei der Mannigfaltigkeit geht: "Hätten wir nicht nach der Hemmung des Weizens oder den fungiziden Eigenschaften geschaut", sagt Kennedy, "keiner hätte je gewußt, daß sie existieren." Mit anderen Worten, es gibt nicht nur verschiedene Stämme, sondern die Eigenschaften, nach denen ein Stamm definiert wird, erfassen nicht zwingend das gesamte Erscheinungsbild.

Vieles von dem, was wir über die mikrobielle Welt zu wissen glauben, gibt Kennedy zu bedenken, rührt nur von unserem Blickwinkel her. Ein Beispiel ist die Redundanz, die viele Forscher den Mikroorganismen beimessen. Sie kommen zu dieser Redundanz vereinfachernderweise, weil viele Organismen das Gleiche machen. "Das liegt daran, daß die Menschen sich selber dadurch einengen, wie sie über die Funktionen von Mikroorganismen denken", führt Kennedy aus. "Wir lassen die Mikroben gar nicht ausreden, wenn sie uns etwas über ihre Funktionen mitteilen." Mag ein Bakterium auch in der Lage sein, eine bestimmte Substanz abzubauen, seine wirkliche Funktion im Boden kann eine gänzlich andere sein. Die Idee der Redundanz ist ein menschliches Gedankenkonstrukt.

Einheimische Helfer gegen fremde Kräuter

Für Kennedy ist dabei so aufregend, daß man beispielsweise für den Zweck der Biokontrolle einfach entscheiden kann, welche Eigenschaften man haben will, und dann macht man sich auf die Suche nach einem entsprechenden Organismus. Sie selbst sucht beispielsweise nach bestimmten Wurzelbakterien, die deleterious rhizobial bacteria (DRB) genannt werden. Diese DRBs bilden Toxine, die häufig spezifisch sind für die Pflanzen und die Art des Anbaus und das Pflanzenwachstum drastisch verändern können. Warum die DRBs die unterdrückenden Toxine bilden können, ist allerdings nicht klar. Andererseits ist für Kennedy auch hier die vermeintlich fehlende Klarheit nur darin begründet, daß man nicht innerhalb des gesamten Systems denkt. Nach Kennedy sind DRBs keine richtigen Krankheitserreger. Sie sind viel gerissener. Sie töten die Pflanze nicht, sondern reduzieren nur ihr Wachstum. "Diese Art der leichten Hemmung", so Kennedy, "ist vielleicht näher an dem dran, was Leben ist, als die Krankheitserreger, die so auffällig sind."

Vor einiger Zeit reiste der Kopf des Crop and Soils Department von der Washington State University, Tom Lumpkin, in die Türkei und brachte einige Bodenproben mit nach Hause. Unter anderem ein aggressives Unkraut, das als entscheidender Konkurrent für Getreide im amerikanischen Westen gilt. In der Türkei ist es einheimisch. Kennedys Labor isolierte Organismen aus diesen Bodenproben. Normalerweise sind 50 Prozent aller Bodenorganismen hemmend für das Unkraut, Weizen und andere Gräser, 6 Prozent hemmen nur das Unkraut, aber nicht den Weizen. Die Isolate aus den türkischen Böden waren dagegen zu 99 Prozent ausschließlich für das Unkraut hemmend.

Dennoch kam Kennedy in ihren Überlegungen zu dem Schluß, daß sie die fremden Arten lieber nicht als "Biokontrolleure" gegen die sich stark ausbreitenden Unkräuter einsetzen wollte. "Wir haben doch selber diese Milliarden von Organismen, darunter muß doch etwas zu finden sein, daß die Ausbreitung der Unkräuter stoppen kann", war ihr Gedanke. Inzwischen denkt sie differenzierter und sie ist überzeugt, daß die DRBs artspezifisch auf die Unkräuter wirken können.

Gesellschaften und Zusammenleben

Dank ihrer Fähigkeit, die Nährstoffzusammensetzung des Bodens zu beeinflussen, können auch Pflanzen mitbestimmen, welche Bakterien und Pilze in ihrer Rhizosphäre leben, der Zone, die unmittelbar die Wurzeln umgibt. Diese feedback-Kreisläufe – sowohl innerhalb des Systems als auch im evolutionären Sinn – sind wahrscheinlich komplex und zahlreich.

"Was wir mit unserer Arbeit über Gesellschaften im Boden zu begreifen versuchen ist, was friedliche Koexistenz ausmacht. Was für Abläufe sind innerhalb der Gesellschaft notwendig, damit sie funktioniert?"

Landwirtschaftliche Gemeinschaften sind künstlich. Selbst ein unbestelltes Feld unterscheidet sich sehr von einem natürlichen Ökosystem. Die Vorteile, ein Feld brach liegen zu lassen, sind offensichtlich: Nicht nur, daß man die Gefahr der Erosion herabsetzt, der Boden ist biologisch entscheidend lebendiger. Um Herr über die Unkräuter zu bleiben, werden bisher Herbizide eingesetzt. Das möchte Kennedy ändern und denkt an die Entwicklung einer mikrobiellen Gesellschaft innerhalb eines unbestellten Feldes, die den Unkraut-Wildwuchs zurückhält und Krankheitserreger eindämmt, aber Getreide wachsen läßt. Sie setzt auf ein DRB, das das im amerikanischen Westen wucherndes Unkraut verkümmern läßt. DRBs werden erst seit etwa 15 Jahren untersucht. "Jedes DRB, das wir sehen, produziert etwas anderes", sagt Kennedy, "und wir wissen nicht wirklich, warum."

Wie der Biologe Niles Eldredge in seinem letzten "Dominion" beobachtet: "...die Erfindung, die wirklich unsere Stellung in der natürlichen Welt verändert hat, war das Aufkommen der Landwirtschaft vor etwa 10 000 Jahren. Als wir selbst die Kontrolle über unsere eigene Nahrungsversorgung übernommen haben, wurden wir die erste Art in der 3.5 Milliarden Jahre alten Geschichte des Lebens, die außerhalb der Grenzen des lokalen Ökosystems leben konnte."

Auf der anderen Seite haben wir jetzt ein Problem, das diese Freiheit mit sich bringt. Krankheitserreger und eindringende Arten reisen direkt an unserer Seite, und die neuen Gebiete sind weder auf uns noch auf unsere auswärtigen Gefährten vorbereitet. Hoch entwickelt, wie wir zu sein glauben, und obwohl unser Erfolg wahrscheinlich auf unsere intellektuelle Anpassung zurückzuführen ist, passen wir uns physiologisch nicht leicht unserer spezifischen Umgebung an. Aber der ausgedehnte Untergrund und die unsichtbare Bevölkerung der Mikroben kann das leicht. Und zur Zeit überlegen wir, wie wir unseren Weg anpassen können, wie wir unsere Nahrung anbauen können, um den Nachteil auszugleichen.

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