Koexistenz durch verzögerte Anpassung

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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 Professor Erwin Frey hat mit seiner Mitarbeiterin Dr. Marianne Bauer untersucht, warum dies in der Natur nicht der Fall ist. Wie die Wissenschaftler im Fachmagazin Physical Review Letters 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.Physical Review Letters 2018