Wir leben in einer bakteriellen Welt, und sie beeinflusst uns stärker als bisher gedacht

(Phys.org)-Im Laufe ihrer Karriere vertrat die berühmte Biologin Lynn Margulis (1938-2011) die Ansicht, dass die Welt der Mikroorganismen einen viel größeren Einfluss auf die gesamte Biosphäre – die Welt aller Lebewesen – hat, als Wissenschaftler üblicherweise erkennen. Nun hat ein Team von Wissenschaftlern von Universitäten aus der ganzen Welt die Ergebnisse von Hunderten von Studien über die Wechselwirkungen zwischen Tieren und Bakterien zusammengetragen, die meisten davon aus dem letzten Jahrzehnt, und sie haben gezeigt, dass Margulis Recht hatte. Die kombinierten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Beweise, die Margulis‘ Ansicht stützen, einen Wendepunkt erreicht haben, der es erforderlich macht, dass Wissenschaftler einige der grundlegenden Merkmale des Lebens durch die Linse der komplexen, voneinander abhängigen Beziehungen zwischen Bakterien und anderen sehr unterschiedlichen Lebensformen neu untersuchen.

Das Projekt zur Überprüfung der aktuellen Forschung über die Wechselwirkungen zwischen Tieren und Bakterien begann, als einige Wissenschaftler die Bedeutung von Bakterien in ihren eigenen Studienbereichen erkannten. Für Michael Hadfield, Professor für Biologie an der University of Hawaii in Manoa, wuchs diese Erkenntnis über viele Jahre hinweg, als er die Metamorphose von Meerestieren untersuchte. Er fand heraus, dass bestimmte Bakterien die Meereslarven dazu bringen, sich an bestimmten Stellen des Meeresbodens niederzulassen, wo sie sich in Jungtiere verwandeln und den Rest ihres Lebens verbringen.

„Nachdem wir festgestellt hatten, dass bestimmte Biofilmbakterien einen essentiellen und einzigartigen Liganden bereitstellen, um die Larven eines weltweit verbreiteten Meereswurms zu stimulieren, ging unsere Forschung natürlich zur Untersuchung des Teils des bakteriellen Genoms über, der für die Signalübertragung verantwortlich ist, und zu anderen Arten, bei denen wir die gleichen beteiligten Gene fanden“, so Hadfield gegenüber Phys.org. „Margaret McFall-Ngai und ich haben die aktuelle Situation ausgiebig diskutiert und dann beschlossen, zu versuchen, eine beträchtliche Anzahl von Experten mit verschiedenen Ansätzen zur Untersuchung von Interaktionen zwischen Bakterien und Tieren zusammenzubringen, um ein Papier wie das Ihnen vorliegende zu verfassen. Wir schlugen dem National Science Foundation’s National Evolutionary Synthesis Center (NESCent) ein ‚Katalyse-Treffen‘ zu diesem Thema vor, das finanziert wurde, und das Projekt nahm seinen Lauf.“

Bakterien umgeben uns

In vielerlei Hinsicht ist die herausragende Rolle, die Bakterien in der Welt spielen, leicht zu erkennen. Bakterien waren eine der ersten Lebensformen, die vor etwa 3,8 Milliarden Jahren auf der Erde auftauchten, und sie werden höchstwahrscheinlich noch lange nach dem Tod des Menschen überleben. Im gegenwärtigen Stammbaum des Lebens nehmen sie einen der drei Hauptzweige ein (die anderen beiden sind Archaea und Eucarya, wobei Tiere zu letzterem gehören). Obwohl Bakterien äußerst vielfältig sind und fast überall auf der Erde leben, vom Meeresgrund bis zum Inneren unseres Darms, haben sie einige Dinge gemeinsam. Sie sind ähnlich groß (einige Mikrometer), bestehen in der Regel aus einer einzigen Zelle oder einigen wenigen Zellen, und ihre Zellen haben keine Zellkerne.

Obwohl Wissenschaftler seit vielen Jahren wissen, dass Tiere als Wirt für Bakterien dienen, die vor allem im Darm, im Mund und auf der Haut leben, haben neuere Forschungen aufgedeckt, wie zahlreich diese Mikroben sind. Studien haben gezeigt, dass der Mensch etwa 10 Mal mehr Bakterienzellen in seinem Körper hat als menschliche Zellen. (Allerdings wiegen die Bakterien insgesamt weniger als ein halbes Pfund, da Bakterienzellen viel kleiner sind als menschliche Zellen.)

Während einige dieser Bakterien einfach Seite an Seite mit Tieren leben und nicht viel interagieren, interagieren einige von ihnen sehr viel. Wir assoziieren Bakterien oft mit krankheitsverursachenden „Keimen“ oder Krankheitserregern, und Bakterien sind für viele Krankheiten verantwortlich, wie Tuberkulose, Beulenpest und MRSA-Infektionen. Aber Bakterien leisten auch viel Gutes, und die jüngsten Forschungen unterstreichen die Tatsache, dass das tierische Leben ohne sie nicht dasselbe wäre.

„Die tatsächliche Zahl der Bakterienarten auf der Welt ist atemberaubend groß, einschließlich der Bakterien, die heute in den obersten Schichten unserer Atmosphäre und in den Felsen tief unter dem Meeresboden um die Erde kreisen“, sagte Hadfield. „Dazu kommen noch die Bakterien aus allen möglichen Umgebungen, die man sich vorstellen kann, von Klärgruben bis zu heißen Quellen und überall auf und in praktisch jedem lebenden Organismus. Daher ist der Anteil aller Bakterienarten, die für Pflanzen und Tiere pathogen sind, sicherlich gering. Ich vermute, dass der Anteil der Bakterien, die für Pflanzen und Tiere nützlich/notwendig sind, im Verhältnis zur Gesamtzahl der Bakterien im Universum ebenfalls gering ist, und sicherlich sind die meisten Bakterien aus dieser Sicht „neutral“. Ich bin jedoch auch davon überzeugt, dass die Zahl der nützlichen Mikroben, sogar der sehr notwendigen Mikroben, viel, viel größer ist als die Zahl der Krankheitserreger.“

Ursprünge der Tiere und Koevolution

Von unseren bescheidenen Anfängen an könnten Bakterien eine wichtige Rolle gespielt haben, indem sie bei der Entstehung von mehrzelligen Organismen (vor etwa 1 bis 2 Milliarden Jahren) und bei der Entstehung von Tieren (vor etwa 700 Millionen Jahren) halfen. Forscher haben kürzlich entdeckt, dass einer der engsten lebenden Verwandten der mehrzelligen Tiere, ein einzelliger Choanoflagellat, auf Signale eines seiner Beutebakterien reagiert. Diese Signale bewirken, dass sich teilende Choanoflagellaten-Zellen ihre Verbindungen beibehalten, was zur Bildung von gut koordinierten Kolonien führt, aus denen sich möglicherweise mehrzellige Organismen entwickelt haben. Die Frage nach dem Ursprung dieser Organismen ist jedoch Gegenstand intensiver Debatten, und die Wissenschaftler haben viele Hypothesen darüber, wie diese Lebensformen entstanden sind. Eine bakterielle Rolle bei diesen Prozessen schließt andere Perspektiven nicht aus, sondern fügt eine zusätzliche Überlegung hinzu.

Nachdem sie den Tieren zu ihrem Start verholfen haben, spielten Bakterien auch eine wichtige Rolle bei ihrer Entwicklung. Während man traditionell davon ausgeht, dass die Entwicklung von Tieren in erster Linie durch das eigene Genom als Reaktion auf Umweltfaktoren gesteuert wird, haben neuere Forschungen gezeigt, dass die Entwicklung von Tieren besser als ein Zusammenspiel zwischen dem Tier, der Umwelt und der Koevolution zahlreicher mikrobieller Spezies betrachtet werden kann. Ein Beispiel für diese Koevolution ist die Entwicklung der Endothermie bei Säugetieren, d. h. die Fähigkeit, durch Stoffwechselvorgänge eine konstante Temperatur von etwa 40 °C zu halten. Dies ist auch die Temperatur, bei der die bakteriellen Partner der Säugetiere mit optimaler Effizienz arbeiten, Energie für die Säugetiere bereitstellen und ihren Nahrungsbedarf reduzieren. Diese Erkenntnis deutet darauf hin, dass die bevorzugte Temperatur der Bakterien einen Selektionsdruck auf die Entwicklung von Genen ausgeübt haben könnte, die mit der Endothermie in Verbindung stehen.

Bakterielle Signalübertragung

Eine tief verwurzelte Allianz zwischen Tieren und Bakterien lässt sich auch in den Genomen beider Gruppen nachweisen. Forscher schätzen, dass etwa 37% der 23.000 menschlichen Gene mit Bakterien und Archaeen homolog sind, d.h. sie sind mit Genen verwandt, die in Bakterien und Archaeen vorkommen und von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen.

Viele dieser homologen Gene ermöglichen die Signalübertragung zwischen Tieren und Bakterien, was darauf hindeutet, dass sie in der Lage waren, miteinander zu kommunizieren und die Entwicklung des jeweils anderen zu beeinflussen. Ein Beispiel dafür ist die Entdeckung von Hadfield und seiner Gruppe, dass die bakterielle Signalübertragung eine wesentliche Rolle bei der Einleitung der Metamorphose bei einigen Larven von wirbellosen Meerestieren spielt, wo die Bakterien Signale produzieren, die mit bestimmten Umweltfaktoren verbunden sind. Andere Studien haben ergeben, dass bakterielle Signale die normale Gehirnentwicklung bei Säugetieren beeinflussen, das Fortpflanzungsverhalten sowohl bei Wirbeltieren als auch bei Wirbellosen beeinflussen und das Immunsystem von Tsetsefliegen aktivieren. Die Geruchssubstanzen, die einige Tiere (einschließlich Menschen) zu ihren potenziellen Partnern locken, werden ebenfalls von den im Tier lebenden Bakterien produziert.

Die bakterielle Signalübertragung ist nicht nur für die Entwicklung wichtig, sondern hilft den Tieren auch, die Homöostase aufrechtzuerhalten, damit wir gesund und glücklich bleiben. Wie die Forschung gezeigt hat, können die Bakterien im Darm über das zentrale Nervensystem mit dem Gehirn kommunizieren. Studien haben ergeben, dass Mäuse ohne bestimmte Bakterien Defekte in Gehirnregionen aufweisen, die Angst und depressionsähnliches Verhalten kontrollieren. Die bakterielle Signalübertragung spielt auch eine wichtige Rolle bei der Überwachung des Immunsystems eines Tieres. Eine Störung dieser bakteriellen Signalwege kann zu Krankheiten wie Diabetes, entzündlichen Darmerkrankungen und Infektionen führen. Studien deuten auch darauf hin, dass viele der Krankheitserreger, die bei Tieren Krankheiten verursachen, diese bakteriellen Kommunikationskanäle „gekapert“ haben, die sich ursprünglich entwickelt haben, um ein Gleichgewicht zwischen dem Tier und Hunderten von nützlichen Bakterienarten aufrechtzuerhalten.

Signalübertragung findet auch im größeren Rahmen von Ökosystemen statt. So können beispielsweise Bakterien im Blütennektar die chemischen Eigenschaften des Nektars verändern und so die Art und Weise beeinflussen, wie Bestäuber mit Pflanzen interagieren. Menschliche Säuglinge, die vaginal geboren werden, haben andere Darmbakterien als solche, die per Kaiserschnitt entbunden werden, was langfristige Auswirkungen haben kann. Und Bakterien, die sich von toten Tieren ernähren, können tierische Aasfresser – Organismen, die 10.000 Mal so groß sind wie sie selbst – abwehren, indem sie schädliche Gerüche produzieren, die den Aasfressern signalisieren, dass sie sich fernhalten sollen.

Im Darm

Bei den frühesten Tieren spielten Darmbakterien eine wichtige Rolle bei der Ernährung, indem sie den Tieren bei der Verdauung ihrer Nahrung halfen, und sie haben möglicherweise die Entwicklung anderer nahe gelegener Organsysteme beeinflusst, wie z. B. des Atmungs- und Urogenitalsystems. Ebenso hat die Evolution der Tiere wahrscheinlich die Evolution der Bakterien vorangetrieben, manchmal in hoch spezialisierte Nischen. So sind beispielsweise 90 % der Bakterienarten in Termitendärmen nirgendwo sonst zu finden. Eine solche Spezialisierung bedeutet auch, dass das Aussterben jeder Tierart das Aussterben einer unbekannten Anzahl von Bakterienlinien zur Folge hat, die sich zusammen mit ihr entwickelt haben.

Wissenschaftler haben auch herausgefunden, dass sich die Bakterien im menschlichen Darm an eine veränderte Ernährung anpassen. So haben die meisten Amerikaner ein Darmmikrobiom, das für die Verdauung einer fett- und eiweißreichen Ernährung optimiert ist, während die Menschen im ländlichen Amazonasgebiet in Venezuela Darmmikroben haben, die besser für die Aufspaltung komplexer Kohlenhydrate geeignet sind. Einige Menschen in Japan haben sogar ein Darmbakterium, das Seetang verdauen kann. Forscher vermuten, dass sich das Darmmikrobiom auf zwei Arten anpasst: durch Hinzufügen oder Entfernen bestimmter Bakterienarten und durch die Übertragung der gewünschten Gene von einem Bakterium auf ein anderes durch horizontalen Gentransfer. Sowohl der Wirt als auch die Bakterien profitieren von dieser Art der symbiotischen Beziehung, von der die Forscher annehmen, dass sie viel weiter verbreitet ist als bisher angenommen.

Das große Ganze

Insgesamt haben die jüngsten Studien gezeigt, dass die Geschichte von Tieren und Bakterien eng miteinander verwoben ist und dass sie für ihre eigene Gesundheit und ihr Wohlergehen wie auch für das ihrer Umgebung voneinander abhängig sind. Obwohl sich die Forscher ausschließlich auf die Interaktionen zwischen Tieren und Bakterien konzentrierten, gehen sie davon aus, dass ähnliche Tendenzen der Koabhängigkeit und Symbiose auch unter und zwischen anderen Gruppen wie Archaeen, Pilzen, Pflanzen und Tieren anzutreffen sind. Einst als Ausnahme betrachtet, wird eine solche Verflechtung nun als Regel anerkannt – genau wie Margulis vor vielen Jahrzehnten vorausgesagt hat. Aufgrund dieser symbiotischen Beziehungen schlagen die Wissenschaftler hier vor, dass die Definitionen eines Organismus, einer Umwelt, einer Population und eines Genoms unscharf geworden sind und überprüft werden sollten. Möglicherweise sollten Tiere eher als Wirt-Mikroben-Ökosysteme denn als Individuen betrachtet werden.

Außerdem sagen die Wissenschaftler voraus, dass die jüngsten Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Tieren und Bakterien die Biologen wahrscheinlich dazu zwingen werden, ihre Sichtweise der grundlegenden Natur der gesamten Biosphäre erheblich zu ändern. In diesem Sinne laufen bereits groß angelegte Forschungsprojekte wie das Human Microbiome Project und das Earth Microbiome Project, um das breite Spektrum der Bakterien in den individuellen und globalen Systemen zu untersuchen und zu sehen, was passiert, wenn die Bakterien gestört werden.

Die Wissenschaftler hoffen, dass die Ergebnisse zu einer stärkeren interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Ingenieuren aus verschiedenen Bereichen führen werden, um die neuen mikrobiellen Grenzen zu erforschen. Sie argumentieren, dass diese Entdeckungen den Biologieunterricht ab der Oberstufe revolutionieren sollten, indem sie die Beziehungen zwischen Bakterien, ihren tierischen Partnern und allen anderen Lebensformen stärker in den Mittelpunkt rücken.

„Es ist schwer, eine einzelne ‚wichtigste Schlussfolgerung‘ zusammenzufassen, außer der Ermahnung an Biologen, die Tiere studieren, vom Verhalten über die Physiologie und Ökologie bis hin zur Molekularbiologie, dass man, egal welchen Prozess man zu untersuchen gedenkt, nach einer wichtigen Rolle für Bakterien suchen und diese in Betracht ziehen muss“, so Hadfield. „Das bedeutet, dass Zoologen mit Mikrobiologen zusammenarbeiten müssen, um ihre Forschung voranzutreiben, dass Molekularbiologen mit Biologen für ganze Organismen zusammenarbeiten müssen, usw. Wir möchten, dass die Botschaft von „Tiere in einer bakteriellen Welt“ ein Aufruf zum Verschwinden der alten Grenzen zwischen den Fachbereichen der Biowissenschaften (z. B. Zoologie, Botanik, Mikrobiologie usw.) an den Universitäten und den Gesellschaften (z. B. der American Society for Microbiology usw.) ist.

Die Ergebnisse werden die Art und Weise, wie die Wissenschaftler dieser Zusammenarbeit ihre eigenen Forschungsgebiete weiterführen, tiefgreifend verändern, so Hadfield.

„Jeder der Autoren unserer Arbeit betreibt Grundlagenforschung in einem oder mehreren Bereichen der Tier-Bakterien-Interaktionen, die in der Arbeit behandelt werden, und jeder wird sich weiterhin auf sein eigenes Spezialgebiet konzentrieren, da bin ich mir sicher“, sagte er. „Ich bin mir aber auch sicher, dass die Interaktionen, die sich während des Verfassens und Schreibens des Papiers entwickelt haben (beginnend mit unserem NESCent-Treffen im Oktober 2011, bei dem sich die meisten von uns zum ersten Mal trafen), unsere eigene Forschung beeinflussen und uns dazu veranlassen werden, neue Kooperationen mit anderen Labors einzugehen. Bei mir ist das bereits der Fall; ich habe eine neue Zusammenarbeit mit der Gruppe von Dianne Newman am CalTech begonnen, einer hervorragenden Gruppe von Bakteriologen, die uns dabei helfen, die bakteriellen Genprodukte, die für die Larvenentwicklung verantwortlich sind, viel eingehender zu untersuchen.“