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Faule Bakterien in der sozialen Hängematte

Unter bestimmten Umständen bietet das Leben in der Gemeinschaft auch sonst eher eigenbrötlerischen Bakterien Vorteile. Am meisten natürlich denen, die es sich auf Kosten der anderen gut gehen lassen, ohne selbst ihren Beitrag zum Allgemeinwohl zu leisten.
Wenn es um Bakterien geht, dann denken auch Biologen meistens an vereinzelt lebende Zellen, die allenfalls in einer Petrischale gezwungenermaßen in Kolonien leben. Fressen, vermehren und sich nach Möglichkeit nicht um den Nachbarn scheren – so scheint das generelle Motto zu sein.

Ausnahmen sind rar: Einige Myxobakterien beispielsweise versammeln sich, wenn das Futter knapp wird, auf ein Signal hin und bilden gemeinsam Fruchtkörperchen aus – winzige baumähnliche Strukturen aus unzähligen Zellen, in deren "Köpfchen" ein Teil der Bakterien Sporen produzieren.

Ein weiteres Beispiel sind manche Cyanobakterien, die in fädigen Grüppchen leben. Mangelt es ihnen an Stickstoff, wandeln sich einige Zellen zu so genannten Heterocysten um, die den Luftstickstoff fixieren können. Da die notwendigen Umbauten der Zellstrukturen eine Reihe anderer lebensnotwendiger Vorgänge behindern oder ganz unmöglich machen, findet zwischen den Heterocysten und den übrigen Zellen ein reger Handel mit Nährstoffen statt. Zweifellos bemerkenswerte Kooperationen – doch eben nur Ausnahmen im Reich der Individualisten. Oder?

Die Mikrobiologen Paul Rainey von der University of Oxford sowie der University of Auckland und Katrina Rainey sind da anderer Meinung. "Kooperatives Verhalten von Bakterien könnte häufiger sein, als gegenwärtig angenommen wird", glauben sie. "Einfache, undifferenzierte Gruppen von Bakterien könnten bei der Entwicklung der Mehrzelligkeit eine wichtige frühe Rolle gespielt haben."

Die Forscher stützen ihre These auf Beobachtungen an Populationen des weit verbreiteten Bakteriums Pseudomonas fluorescens. Impft man damit eine Nährlösung an und lässt sie ohne Rühren stehen, so bildet sich nach einiger Zeit ein hautartiger Film an der Oberfläche. Er stammt von einer mutierten Variante, die verstärkt ein Cellulose-ähnliches Polymer produziert, das wie ein Klebstoff die Tochterzellen nach einer Teilung beisammenhält.

Diese Synthese kostet die Bakterien eine Menge wertvoller Ressourcen, doch das Leben in dem Film bietet einen entscheidenden Vorteil: Hier oben ist man dichter am Sauerstoff, ohne den die Pseudomonaden nicht existieren können. Nicht mutierte Zellen hingegen ersticken spätestens dann, wenn die Matte an der Oberfläche so dicht wird, dass praktisch gar keine Luft mehr in die darunterliegenden Schichten Lösung dringt.

Der erste Schritt zur Gemeinschaft besteht also darin, dass einige Mutanten die Fähigkeit zur Polymersynthese entwickeln und ihren priviligierten Zugang zum Sauerstoff weidlich ausnutzen. Doch der gemeinsame Erfolg währt nicht lange. Schon nach wenigen Tagen treten in dem Film rückmutierte Zellen auf, die sich nicht am Bau beteiligen. Befreit von den Kosten ihrer sicheren Behausung, nutzen sie freimütig deren Vorteile und vermehren sich schneller als die fleißigen Konstrukteure. Als Folge wird die Matte immer schwerer und gleichzeitig instabiler. Schließlich geht sie aufgrund ihres Eigengewichtes unter – früher als es ohne die Schmarotzer geschehen wäre.

Bakterienfilme an den Oberflächen von Kulturen oder natürlichen Gewässern kennen Mikrobiologen schon seit langem. Es ist gut denkbar, dass auch in ihnen ähnliche Abfolgen von Gemeinschaften und Ausnutzung stattfinden wie in den Experimenten der Raineys. Dann wäre die Kooperation nicht differenzierter Zellen tatsächlich eine bakterielle Alltäglichkeit.

Die Wissenschaftler hätten damit ein leicht zu handhabendes Modell für die Entwicklung von Mehrzellern an der Hand, denn die notwendigen Versuche sind so einfach, dass jeder Mikrobiologe sie zu Hause durchführen könnte. Wer weiß, vielleicht wird die vermittelnde Mutante, die ein Gleichgewicht zwischen Film-Bildnern und Schmarotzern herstellen kann, ja an einem ganz gewöhnlichen Küchentisch entdeckt.

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