Warum mehr Nährstoffe die Vielfalt im Mikrobiom verringern können
Eine neue Studie stellt infrage, dass mehr Nährstoffvielfalt auch die Diversität im Mikrobiom erhöht – und erklärt das überraschende Ergebnis.
Eine abwechslungsreiche Ernährung wird häufig mit einem vielfältigen Darmmikrobiom verbunden. Neue Laborforschung deutet jedoch darauf hin, dass ein vielfältiges Nährstoffangebot in mikrobiellen Gemeinschaften nicht automatisch für mehr Artenvielfalt sorgt. © Pexels
Mehr verschiedene Nährstoffe schaffen nicht automatisch mehr Vielfalt im Mikrobiom. Unter bestimmten Bedingungen passiert sogar das Gegenteil: Einzelne Bakterien nutzen ein vielfältigeres Angebot besonders effizient, wachsen stärker und verdrängen andere Arten. Forscher der Universität Tübingen haben diesen überraschenden Mechanismus in künstlichen Bakteriengemeinschaften beobachtet. Ihre Ergebnisse stellen eine verbreitete ökologische Annahme infrage, nach der mehr unterschiedliche Ressourcen grundsätzlich mehr Arten das Zusammenleben ermöglichen.
Die Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlichten die Tübinger Mikrobiologen im Fachjournal Nature Ecology & Evolution. Diese widersprechen einer verbreiteten Annahme aus der Ökologie. Demnach sollten unterschiedliche Nahrungsquellen verschiedene ökologische Nischen schaffen und eigentlich mehr Arten ein gemeinsames Überleben ermöglichen. Unter bestimmten Bedingungen kann sogar das Gegenteil passieren: Einzelne Bakterien profitieren besonders stark vom größeren Angebot. Sie wachsen schneller, verbrauchen mehr Ressourcen und verdrängen so andere Arten.
Auch Bakterien leben in Konkurrenz
Mikroorganismen leben in komplexen Gemeinschaften. Das gilt für Böden und Gewässer ebenso wie für den menschlichen Darm. Dort konkurrieren Bakterien um Nahrung, unterstützen sich gegenseitig oder verwerten Stoffwechselprodukte anderer Arten. Ein Gramm Erde kann mehr als 10.000 Bakterienarten enthalten. Im Darm beteiligt sich das Mikrobiom an der Verdauung und schützt vor Krankheitserregern.
Zunächst wertete das Team Daten aus dem Earth Microbiome Project aus. Dazu gehörten 462 Proben aus unterschiedlichen Ökosystemen. Erfasst waren sowohl die mikrobielle Vielfalt als auch verschiedene vorhandene Nährstoffe. Ein einheitliches Muster fand sich dabei nicht. In manchen Lebensräumen nahm die Artenvielfalt mit einem vielfältigeren Nährstoffangebot zu, in anderen ging sie zurück. Natürliche Lebensräume enthalten jedoch zahlreiche weitere Einflussfaktoren. Deshalb prüften die Forscher den Zusammenhang anschließend unter kontrollierten Bedingungen.
Künstliche Bakteriengemeinschaften reagieren anders
Im Labor kombinierten die Wissenschaftler 14 verschiedene Bakterienstämme zu 14 künstlichen Gemeinschaften. Sie erhielten zwischen einer und 16 verschiedenen Kohlenstoffquellen. Insgesamt entstanden 54 unterschiedliche Bedingungen pro Gemeinschaft. Nach neun Tagen bestimmten die Biologen, welche Bakterien überlebt hatten und wie häufig die einzelnen Stämme noch vorkamen.
Das Ergebnis fiel überraschend anders aus als von klassischen ökologischen Modellen erwartet. Bei sieben der 14 Gemeinschaften gingen sowohl Artenreichtum als auch Diversität mit zunehmender Zahl der Ressourcen zurück. Eine Zunahme der Vielfalt kam dagegen seltener vor und fiel meist schwächer aus. „Mit steigender Nährstoffvielfalt treten die Bakterienarten in einen stärkeren Konkurrenzkampf, den nur wenige gewinnen“, sagt Studienleiter Christoph Ratzke. „Mehr Angebot bedeutet nicht automatisch mehr friedliches Nebeneinander.“
Ein Bakterienstamm war besonders dominant
Hinter dem Effekt steckt offenbar das Verhalten einzelner Bakterienstämme. Das Team analysierte dafür Tausende Wechselwirkungen zwischen den Mikroben. In einem weiteren Versuch testeten die Wissenschaftler 298 Bakterienstämme unter unterschiedlich komplexen Nährstoffbedingungen. Insgesamt entstanden dabei mehr als 32.000 Messwerte. Viele Stämme wurden bei einem größeren Nährstoffangebot konkurrenzstärker. Bei 109 Bakterienstämmen fiel dieser Effekt besonders deutlich aus.
Ein Stamm stach in den künstlichen Gemeinschaften hervor. In der Studie trägt er die Bezeichnung „Stamm 79“ und gehört zur Gattung Pseudomonas. Je mehr verschiedene Ressourcen verfügbar waren, desto stärker wurde sein Anteil. Bei 16 verfügbaren Kohlenstoffquellen dominierte er schließlich mehrere Gemeinschaften. Gleichzeitig gingen andere Bakterien zurück. Gemeinschaften ohne diesen Stamm entwickelten sich anders: Ihre Vielfalt nahm mit zusätzlichen Ressourcen leicht zu.
Einige Bakterien greifen besonders effizient auf Nährstoffe zu
Die Erklärung liegt offenbar im Stoffwechsel der Mikroben. Bestimmte Bakterien nahmen in einer Mischung verschiedener Ressourcen mehr Nährstoffe auf, als sich aus ihrem Verhalten bei einzelnen Kohlenstoffquellen erwarten ließ. Ihnen stand dadurch mehr Energie für das eigene Wachstum zur Verfügung. Für konkurrierende Mikroben blieb entsprechend weniger übrig. Chemische Analysen der Nährlösungen bestätigten diesen stärkeren Verbrauch.
„Erstaunlicherweise ließ sich die Veränderung ganzer Gemeinschaften teilweise auf eine einzelne Stoffwechseleigenschaft bestimmter Bakterienarten zurückführen“, sagt Erstautor Or Shalev. Auch Computermodelle konnten den beobachteten Rückgang der Vielfalt nachvollziehen, sobald die höhere Nährstoffaufnahme bestimmter Bakterien berücksichtigt wurde. Besonders wahrscheinlich war ein Verlust an Vielfalt, wenn eine kleine Gruppe von Mikroben überdurchschnittlich stark vom breiteren Angebot profitierte.
Was die Ergebnisse für Ernährung und Darmmikrobiom bedeuten
Für Ernährungsfragen ist der Befund interessant, allerdings kein Argument gegen eine abwechslungsreiche Kost. Die Experimente fanden mit künstlich zusammengestellten Bakteriengemeinschaften statt. Eine direkte Übertragung auf den menschlichen Darm ist deshalb nicht möglich. Auch die Autoren weisen darauf hin, dass sich Laborergebnisse nur begrenzt auf natürliche Mikrobiome übertragen lassen.
Mehr Nährstoffvielfalt bedeutet demnach nicht zwangsläufig mehr mikrobielle Artenvielfalt. „Für Mikroorganismen gilt das nicht immer“, sagt Shalev über die bisherige Annahme, mehr Nährstoffe würden mehr ökologische Nischen schaffen. Die Ergebnisse legen nahe, dass auch die Wechselwirkungen und Stoffwechseleigenschaften einzelner Bakterien die Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften prägen. Ob der im Labor beobachtete Mechanismus auch die menschliche Darmflora beeinflusst, müssen weitere Untersuchungen klären.
Kurz zusammengefasst:
- Mehr unterschiedliche Nährstoffe bedeuten nicht automatisch mehr Vielfalt in einer Bakteriengemeinschaft: In Laborversuchen nahm die Vielfalt im Mikrobiom bei einem größeren Nahrungsangebot sogar ab.
- Einzelne Bakterienstämme können besonders stark profitieren: Sie nehmen mehr Nährstoffe auf, wachsen stärker und verdrängen dadurch andere Arten.
- Für die menschliche Darmflora ist das Ergebnis interessant, aber nicht direkt übertragbar: Die Versuche fanden mit künstlichen Bakteriengemeinschaften statt, die Ergebnisse lassen sich nicht vollständig auf natürliche Mikrobiome übertragen.
Übrigens: Nicht nur die Ernährung beeinflusst die Darmflora – auch Medikamente können noch Jahre nachdem sie abgesetzt wurden Spuren im Mikrobiom hinterlassen. Besonders überraschend sind die langfristigen Effekte einiger Beruhigungsmittel und anderer gängiger Arzneien. Mehr dazu in unserem Artikel.
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