Bakterien besiedeln die Erde schon seit 3,5 Milliarden Jahren – siebenmal länger, als Vielzeller existieren, und etwa 10 000-mal länger, als es den modernen Menschen gibt. Als dem Zoologen Thomas Bosch die Tragweite dieser Tatsache bewusst wurde, war für ihn klar, dass alle Lebensformen auf der Erde die Spuren der mikrobiellen Vergangenheit in sich tragen. Bosch gründete an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel einen Sonderforschungsbereich zum Thema »Metaorganismen«. Der Begriff beschreibt Organismen als Lebensgemeinschaften aus einer Fülle verschiedenster Spezies. »Ein Mensch«, betont Bosch, »besteht aus mehr Bakterien als Körperzellen.« Erbanlagen von Mikroben machen 99 Prozent unseres gesamten genetischen Materials aus – und die Stoffwechselprodukte von Bakterien etwa 30 Prozent aller Substanzen im Blut eines Erwachsenen.

Die Gesamtheit an Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Mikroorganismen, die in unserem Darm, auf unserer Haut und weiteren Kontaktflächen des menschlichen Körpers siedeln, bezeichnet man als Mikrobiom. Es unterstützt uns unter anderem bei der Immunabwehr, bei der Verdauung und beim Bereitstellen lebenswichtiger Substanzen wie K- und B-Vitaminen. Unser Mikrobiom wird zunächst während der Geburt geprägt und stammt bei einer natürlichen Entbindung größtenteils von der Vagina, der Haut und dem Darm unserer Mutter. Durch Stillen und körperliche Nähe prägt die Mutter auch danach noch unser Mikrobiom, sodass wir in den Tagen nach der Geburt 50 bis 70 Prozent der Darmbakterien mit ihr gemeinsam haben – darunter Milchsäure- und Bifidobakterien, die uns helfen, Muttermilch zu verdauen. Manche Mikroorganismen-Stämme von der Mutter können lebenslang in den Kindern weiter bestehen, doch im Allgemeinen verringert sich die mikrobielle Überlappung mit der Zeit: In einem Alter von zwei Jahren beträgt sie nur noch circa 25 Prozent, später spielt der Kontakt zu weiteren Haushaltsmitgliedern – zum Vater, zu den Geschwistern und sogar zu den Haustieren – eine zunehmend wichtige Rolle. Bei Erwachsenen geht man davon aus, dass vor allem die sozialen Kontakte das Mikrobiom prägen.

Es ist schon seit geraumer Zeit bekannt, dass sich die Mikrobiome von Menschen, die zusammenleben, mehr ähneln als jene von Personen aus unterschiedlichen Haushalten. »Allerdings war es lange nicht möglich herauszufinden, ob die Stämme physikalisch übertragen werden oder ob sich die Mikrobiome zum Beispiel aufgrund derselben Ernährung oder der gleichen Lebensweise ähnlich formen«, erklärt Nicola Segata, Bioinformatiker an der Universität Trient in Italien. Segata war einer der ersten Forscher, die mittels so genannter Metagenomik die Übertragung von Mikrobiomen untersucht haben. Bei diesem Verfahren analysiert man das gesamte genetische Material aus einer Probe – etwa aus einer Kotprobe, wenn man das Darmmikrobiom untersucht – und rekonstruiert die Sequenzen der verschiedenen Mikroorganismen darin mithilfe komplexer Algorithmen. Dabei können die Fachleute es mit Erbmaterial von Billionen Bakterien zu tun haben. »Die Mikrobiome von zwei verschiedenen Menschen haben im Durchschnitt 30 Prozent ihrer Bakterienspezies gemeinsam«, erklärt Segata. Auf der Ebene der Bakterienstämme liege die Übereinstimmung allerdings bei weniger als 0,1 Prozent. Ein Bakterienstamm enthält Vertreter einer Spezies mit einer übereinstimmenden genomischen Sequenz – also einen Klon identischer Bakterien. »Findet man identische Stämme in zwei Individuen, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass eine physikalische Übertragung von einem auf das andere Individuum stattgefunden hat.«

Je länger das Zusammenleben, desto mehr gemeinsame Bakterien

Welche Schlussfolgerungen das erlaubt, zeigte eine Studie, die Segata und sein Team in einem italienischen Kindergarten durchgeführt haben. Ein Jahr lang untersuchten und verglichen sie die Mikrobiome von Kindern, Eltern und Erziehern mithilfe von Metagenomik. Das ermöglichte es ihnen, zurückzuverfolgen, wie ein Stamm des Darmbakteriums Akkermansia muciniphilavon einem Kind auf ein anderes übersprang. Im ursprünglichen Wirt verschwand der Stamm irgendwann, dafür besiedelte er erfolgreich den Spielkameraden sowie dessen Eltern. Weiterhin untersuchte die Forschungsgruppe um Segata insgesamt 9700 Darm- und Mundmikrobiome aus 20 Ländern weltweit und kam dabei zu folgendem Ergebnis: Wohnen Menschen zusammen, teilen sie 10 bis 20 Prozent ihres Darm- und einen noch größeren Teil ihres oralen Mikrobioms. Und je länger das Zusammenleben, desto mehr identische Stämme werden gefunden. Auch soziale Kontakte außerhalb des Haushalts spielen eine wichtige Rolle: In ländlichen Gebieten Südamerikas oder Afrikas überlappen bei Zugehörigkeit zum selben Dorf laut den Untersuchungen acht Prozent des Mikrobioms – dagegen null Prozent, wenn die Personen aus unterschiedlichen Dörfern kommen und sich nicht kennen.

Das Mikrobiom wird aber nicht nur von unseren Mitmenschen geprägt. Das ist Fachleuten spätestens seit der Aufstellung des »One Health«-Aktionsplans im Jahr 2022 bewusst. Der Plan stammt von vier großen internationalen Organisationen: der Welternährungsorganisation FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations), dem UN-Umweltprogramm UNEP (United Nations Environment Programme), der Weltgesundheitsorganisation WHO (World Health Organization) und der Weltorganisation für Tiergesundheit WOAH (World Organisation for Animal Health). »One Health« ist ein ganzheitlicher Ansatz, der Mensch-, Tier- und Umweltgesundheit als untereinander verknüpft und voneinander abhängig betrachtet. Immer mehr Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler plädieren dafür, unsere Mikrobiome mit diesem übergreifenden Blick zu betrachten. Der Grund dafür lautet nicht nur, dass die Gesundheit sowohl von Lebewesen als auch von Ökosystemen von den individuellen Mikrobiomen abhängt. Entscheidend ist vor allem, dass Mikroben zwischen Wirtsorganismen und Ökosystemen hin- und herwechseln können. »Mikrobiome sind ein Kontinuum zwischen Boden, Pflanzen, Tieren, Nahrung und Menschen«, schreiben die Fachleute der internationalen Initiative »The Microbiomes for One Health« um die französische Geomikrobiologin Estelle Couradeau. Durch sein Mikrobiom sei der Mensch mit Tieren und der Umwelt verbunden. Ein wesentlicher Antrieb der vor rund 20 Jahren entstandenen One-Health-Bewegung ist der Wunsch, Zoonosen vorzubeugen – also der Übertragung von Krankheitserregern zwischen Tieren und Menschen, wie es vermutlich bei der Covid-19-Pandemie oder bei der Vogelgrippe geschah.

Antibiotikaresistenzen könnten schon bald mehr als zehn Millionen Todesopfer pro Jahr fordern

Doch der vielleicht eindrucksvollste Beweis, dass die Mikrobiome nahezu aller Lebewesen miteinander vernetzt sind, liegt in der weltweiten Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen, die einzudämmen ebenfalls ein Ziel des One-Health-Ansatzes ist. Jährlich wird sie weltweit mit bis zu fünf Millionen Todesfällen in Verbindung gebracht, bis 2050 könnte sie mehr als zehn Millionen Todesopfer pro Jahr fordern. Der maßgebliche Grund, warum Bakterien immer unempfindlicher gegenüber Antibiotika werden, liegt im enormen weltweiten Verbrauch solcher Stoffe – vor allem in der intensiven Landwirtschaft, die für circa 70 Prozent des gesamten Einsatzes verantwortlich zeichnet. In der Massentierhaltung werden Nutztiere oft auf engem Raum zusammengedrängt und vorsorglich mit großen Mengen Antibiotika behandelt, um die Ausbreitung von Infektionen zu unterbinden. In einigen Ländern dienen Antibiotika zudem als Wachstumsförderer, um aus weniger Tierfutter mehr verwertbares Fleisch zu gewinnen; in Europa immerhin ist diese Praxis seit 2006 verboten.

Arzneimittelresistente Mikroben treten mittlerweile überall auf

Der massenhafte Einsatz von Antibiotika erzeugt einen Selektionsdruck, der resistente Bakterien begünstigt. Einmal entstanden, verbreiten sie sich im Mikrobiom der Tiere und gelangen von dort aus in die Umwelt. Nicht selten übernehmen Landwirte sie direkt von ihren Nutztieren; beim Berieseln von Feldern mit Gülle kommen sie in den Boden und in Gewässer. Das Tückische dabei: Eine Unempfindlichkeit gegenüber Antibiotika können Mikroorganismen durch direkten Gen-Transfer austauschen, sodass sich resistente Mikroben beziehungsweise ihre Gene inzwischen überall nachweisen lassen: in Tieren, Böden, Gewässern und oft auch in menschlichen Mikrobiomen. Resistenzen an sich sind nicht unbedingt gefährlich. Problematisch werden sie, wenn wir uns mit krank machenden Mikroben infizieren, die eine Resistenz gegenüber den verfügbaren Arzneimitteln besitzen oder in unserem Körper erwerben – dann lassen sich die von ihnen ausgelösten Krankheiten kaum noch behandeln.

Ein weiterer Aspekt erweist sich für unsere Gesundheit ebenfalls als wichtig. »Infektionen sind lediglich eine Nebenwirkung der Vernetzung von Mikrobiomen«, sagt Segata. Er ist Mitglied der »One Health World Microbiome Partnership« – einer globalen Vereinigung, die den Blick auf Mikrobiome stärker in globale Gesundheits-, Umwelt- und Agrarpolitiken einbinden will. »Es gibt ungefähr eine Billion Mikrobenspezies auf der Erde«, sagt Lita Proctor, stellvertretende Vorsitzende der »One Health Microbiome Partnership« und ehemalige Koordinatorin des Human-Mikrobiom-Projekts, das daran mitwirkte, die ersten menschlichen Mikrobiome zu entziffern. »Davon sind lediglich 1400 für den Menschen gefährlich. Die überwältigende Mehrheit der existierenden Mikroben ist harmlos, viele erfüllen wichtige Funktionen für Lebewesen und die Umwelt.« Im Boden sorgen Mikroorganismen beispielsweise für geschlossene Nährstoffkreisläufe, binden Kohlenstoff oder produzieren Sauerstoff. Tiere und Pflanzen benötigen ihre Mikrobiome für eine gesunde Entwicklung, einen funktionierenden Stoffwechsel und die Abwehr von Krankheitserregern. Die Botschaft der Mikrobiom-Experten: Wichtig beim One-Health-Ansatz ist nicht nur, Pathogene einzudämmen. Ebenso gilt es, die Vielfalt aller anderen Mikroben zu erhalten, die für unsere Gesundheit sowie für gesunde Tiere, Böden und Pflanzen unabdingbar sind.

Unser eigenes Mikrobiom umfasst Tausende Spezies von Bakterien, Viren, Pilzen oder Archaeen. Das menschliche Darmmikrobiom stellt eine der am dichtesten besiedelten mikrobiellen Gemeinschaften dar, die man überhaupt kennt. Dennoch warnen Forscher seit mindestens 15 Jahren: Die Diversität verschwindet sowohl aus unserer Umwelt als auch aus unserem Darm. Dieser Verlust hat wahrscheinlich viel mit unserem industrialisierten Lebensstil zu tun. Zum einen ziehen Desinfektionsmittel und Antibiotika nicht nur gefährliche Keime in Mitleidenschaft, sondern ebenfalls viele vorteilhafte Mikroben auf und in unserem Körper. Zum anderen führt die westliche Ernährungsweise mit ihren stark zuckerhaltigen und hoch verarbeiteten Lebensmitteln dazu, dass manche Bakterienarten der Darmflora, die auf die Verarbeitung bestimmter Ballaststoffe spezialisiert sind, zugunsten anderer, weniger vorteilhafter Populationen verschwinden. Vor der »verschwindenden menschlichen Mikrobiota« hat schon 2009 der Forscher Martin Glaser in Bezug auf Darmbewohner gewarnt, die in den zurückliegenden 100 Jahren verloren gegangen sind. Im Vergleich zu manchen indigenen Völkern Amazoniens oder Afrikas, die noch weitgehend als Sammler und Jäger leben, hat die Diversität in unserem »westlichen« Darmmikrobiom um 20 bis 40 Prozent abgenommen. Das entstandene Ungleichgewicht (fachlich »Dysbiose«) steht mit im Verdacht, zahlreiche chronische Leiden zu fördern, etwa entzündliche Darmerkrankungen, Fettleibigkeit, Diabetes Typ II sowie einige Autoimmunerkrankungen.

Ein reichhaltiges Mikrobiom lässt Krankheitserregern weniger Platz

»Vielfalt ist ein wichtiger Aspekt der Gesundheit«, betont Bosch. »Je mehr verschiedene Mikroorganismen in einem Ökosystem vorhanden sind, desto funktioneller und leistungsfähiger ist dieses System.« Außerdem geht Vielfalt mit Stabilität und Resistenz einher: Ist unser Organismus bereits von gesundheitlich vorteilhaften Mikroben besiedelt, welche die verfügbaren Nährstoffe aufbrauchen, haben Krankheitserreger wenig Aussicht, sich zusätzlich in unserem Körper anzusiedeln. Diesen Effekt nennt man Kolonisationsresistenz. Er kommt in unserem Darmmikrobiom ebenso zum Tragen wie in Pflanzen- oder Bodenmikrobiomen. Verliert beispielsweise das Bodenmikrobiom infolge von Rodung oder intensiver Landwirtschaft an Diversität, verbreiten sich bodenbewohnende Pathogene viel leichter. Pflanzen, die einen Großteil ihres eigenen Mikrobioms aus dem Boden gewinnen, werden dann ebenfalls anfälliger für Parasiten, was den Einsatz von Pestiziden nötig macht und das Bodenmikrobiom noch weiter dezimiert – ein Teufelskreis. Pflanzen auf verarmten Böden sind häufiger mit Pathogenen besiedelt und enthalten weniger Nährstoffe. Die Degradierung des Bodens hat so einen direkten Einfluss auf unsere Ernährung und damit auf unser Darmmikrobiom – sowie auf das von Tieren. Zumal ein Teil des Pflanzen-Mikrobioms durch den Verzehr der Gewächse direkt in unseren Darm übertragen werden kann. Indem sie die mikrobielle Besiedelung von 2500 Lebensmitteln mit unserem Darmmikrobiom verglichen, stellten die Fachleute um Segata fest: Drei Prozent unserer Darmmikroben stammen direkt aus der Nahrung, die wir zu uns nehmen.

Die Mikrobiomforschung ermöglicht es nicht nur, Zusammenhänge zu verstehen. Sie liefert auch konkrete Lösungsansätze für die globalen Herausforderungen, die sich die One-Health-Bewegung gesetzt hat. »Indem wir auf der Ebene der Mikrobiome ansetzen«, schreiben Couradeau und ihre Kollegen, »behandeln wir nicht nur die Symptome, sondern gehen an die Wurzeln der Probleme heran.« Eine vielversprechende Maßnahme ist etwa der Einsatz von mikrobiomförderndem Futter und von Probiotika in der Viehzucht: Weil man damit die Darmflora und das Immunsystem der Tiere unterstützt, benötigt man weniger Antibiotika. Die Bierhefe Saccharomyces cerevisiae und das Milchsäurebakterium Lactobacillus acidophilus zum Beispiel können in der Geflügelhaltung womöglich das Antibiotikum Zink-Bacitracin (ZnB) verzichtbar machen, das in Schwellenländern oft noch als Wachstumsförderer dient. Beim Pflanzenbau können einfache Maßnahmen wie minimale Bodenbearbeitung, Fruchtfolge und organische Düngung die Mikrobiomvielfalt im Boden wiederherstellen und die Bodenfruchtbarkeit erhöhen. In Kombination mit speziellen mikrobiellen Kulturen, die als Biodünger (»Bio-Fertilizer«) die Verfügbarkeit und Aufnahme von Nährstoffen durch die Pflanzen fördern, lässt sich der Gehalt an Ballaststoffen, Vitaminen und Polyphenolen in den geernteten Produkten steigern. Solche Praktiken hätten das Potenzial, chemische Dünger und Pestizide in den kommenden Jahrzehnten teilweise überflüssig zu machen und gleichzeitig unser eigenes Mikrobiom zu fördern.

Viele unserer Darm-Mitbewohner überleben an der Luft nicht lange, sodass wir sie wohl vor allem über engen Kontakt zu unseren Mitmenschen aufnehmen

Unser Mikrobiom leidet nicht nur infolge einseitiger oder schlechter Ernährung. Es verarmt auch in Zusammenhang mit der fortschreitenden Urbanisierung. Indem man Aerosole (Schwebeteilchen in der Luft) mithilfe von Metagenomik untersucht, lassen sich das »Aerobiom« – das Mikrobiom der Luft, die wir einatmen – und sein Einfluss auf unser Atemwegs- und Hautmikrobiom immer besser verstehen. »Es ist bis heute unklar«, sagt Segata, »ob und wie viele Mikrobenstämme aus der Luft sich in unserem Körper dauerhaft ansiedeln können.« Viele unserer Darm-Mitbewohner sind strikt anaerob, das heißt, sie überleben an der Luft nicht lange, sodass wir sie vermutlich vor allem über engen Kontakt zu unseren Mitmenschen aufnehmen. »Die Umwelt prägt unser Mikrobiom wahrscheinlich mehr durch Modulation als durch direkte Übertragung«, sagt Segata – indem sie also beeinflusst, welche Mikroben in unserem Metaorganismus besser gedeihen und welche schlechter. Eine große Studie aus China ergab 2023 beispielsweise, dass Luftverschmutzung die Zusammensetzung des Atemwegsmikrobioms von Großstädtern verändert und dies mit der Entstehung von Lungenerkrankungen zusammenhängt.

Übertriebene Reinlichkeit schadet

Zahlreiche Studien bringen ein gesundes Mikrobiom mit der Vielfalt einer natürlichen Umgebung in Zusammenhang. Schon in den 1980er-Jahren postulierte die »Hygiene-Hypothese«: Kinder, die wegen übertriebener Hygiene mit nur wenigen Mikroben in Kontakt kommen, leiden häufiger an Asthma und anderen allergischen Erkrankungen, weil ihr Immunsystem nicht richtig trainiert wird. Diese Beobachtung hat sich seither immer wieder bestätigt; heute sprechen wir von der »Biodiversitäts-Hypothese«. Sie besagt: Koppeln wir uns von einer intakten natürlichen Umgebung ab, schadet das unserer Gesundheit, weil uns eine ganze Reihe vorteilhafter Mikroben abhandenkommt. Eine finnische Forschungsgruppe um die Umweltwissenschaftlerin Marja Roslund von der Universität Helsinki untersuchte eine interessante Gegenmaßnahme. Die Fachleute bedeckten die Außenanlagen von städtischen Kindergärten mit Erde und Vegetation aus einem benachbarten Wald und ließen die Kinder täglich darin spielen, buddeln und toben. Nach einem Monat stellte das Team fest: Das Hautmikrobiom der jungen Probanden war vielfältiger geworden, und die Immunparameter im Blut wiesen auf ein vermindertes Allergierisiko hin, verglichen mit den Ausgangswerten.

Bis 2050 werden voraussichtlich zwei Drittel der Menschheit in Städten wohnen; viele Personen verbringen einen Großteil ihres Lebens in Gebäuden. Die Erforschung des »Indoor-Mikrobioms«, also des Mikrobioms innerhalb eines Gebäudes, erscheint vor diesem Hintergrund als ein immer drängenderes Thema. Das Indoor-Mikrobiom setzt sich zusammen aus den Mikroben der Bewohner und Besucher – seien sie menschlicher, tierischer oder pflanzlicher Natur. Sie verteilen sich mit Aerosolen, Staubwolken oder Hautschuppen, lagern sich an Wänden und Oberflächen ab oder schweben in der Luft. 2012 lieferte das »Home Microbiome Project« verschiedene Daten dazu, wie amerikanische Haushalte sich hinsichtlich ihrer Indoor-Mikrobiome unterscheiden und wie Familien ihr spezifisches Mikrobenspektrum bei Umzügen wie einen Fußabdruck mitschleppen. Ein ganzer Zweig der Architektur beschäftigt sich mittlerweile damit, das Indoor-Mikrobiom durch mehr Öffnungen, Licht, Bepflanzungen sowie durch naturnahe, poröse und bakterienfreundliche Baumaterialien vielfältiger zu gestalten – indem man, wie in den finnischen Kindergärten, mehr Natur hineinlässt.

»Die Erkundung des Mikrobioms ist ein relativ neues Forschungsfeld«, schreiben Couradeau und ihre Kolleginnen und Kollegen von der »The Microbiomes for One Health Initiative« und begründen damit, dass dieser Forschungsbereich noch nicht explizit in das One-Health-Konzept integriert ist. Dennoch: Immer mehr Wissenschaftler aus der Meeres- und Pflanzenbiologie, aus der Agrar- und Umweltwissenschaft sowie aus der Tier- und Humanmedizin sehen die neuen Erkenntnisse als Möglichkeit, unser menschliches Dasein nachhaltiger zu gestalten und den Herausforderungen des Klimawandels besser zu begegnen. »Mikroben sind viel flexibler in ihrem Anpassungsvermögen, als wir uns vorstellen können. Darin liegt die Power des Mikrobioms: 3,5 Milliarden Jahre Erfolgsstory«, betont Bosch. »Davon kann man lernen.«