Biodiversität stimuliert das eigene Wachstum • Alexander Markov • Science News zu "Elementen" • Mikrobiologie, Evolution

Biodiversität stimuliert das eigene Wachstum.

Abb. 1. Biolog EcoPlate – sterben für die Bestimmung des Bereichs der Nahrungsressourcen, die von einer bestimmten mikrobiellen Spezies oder der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft verwendet werden. Jede Zelle enthält eine Substanz – eine potentielle Nahrungsquelle. Es ist möglich, anhand der Helligkeit der Färbung zu beurteilen, mit welcher Intensität die in der Platte besiedelten Mikroben diese Substanz verwenden. Mit solchen Geräten bewerteten die Autoren des diskutierten Artikels die Nahrungsspektren experimenteller Stämme und die funktionelle Diversität von Gemeinschaften. Bild von ecobiosoil.univ-rennes1.fr

Evolutionäre Experimente an mikrobiellen Gemeinschaften, die aus einer Vielzahl von nahe verwandten Arten bestehen, haben gezeigt, dass die Biodiversität ihr eigenes Wachstum stimulieren und zur Diversifizierung von Mikroben beitragen kann. Die Basis des entdeckten Mechanismus ist der Wettbewerb um Nahrungsressourcen. Wenn die Anzahl der Arten in der Gemeinschaft wächst, verstärkt sich die Konkurrenz um einen engen Kreis der "populärsten" Kohlenstoffquellen, während andere Quellen noch nicht ausgelastet sind. Das Ergebnis ist ein selektiver Vorteil verschiedener Mutanten, bei denen die Reproduktionsgeschwindigkeit in Abwesenheit von interspezifischer Konkurrenz reduziert ist, aber die Effizienz der Verwendung von nicht-populären Substraten erhöht ist.In einer Gemeinschaft mit geringer Diversität werden solche Mutanten durch Selektion ausgeschlossen, und daher bleibt die Biodiversität einfacher Gemeinschaften niedrig und komplex – wachsend.

Sowohl negative als auch positive Rückmeldungen sind an der Evolution der Biodiversität beteiligt. In einer Gemeinschaft mit einem hohen Maß an Diversität kann eine weitere Diversifizierung dadurch behindert werden, dass alle potenziellen Nischen bereits besetzt sind und alle Ressourcen geteilt werden. Dies ist ein Beispiel für eine negative Rückkopplung. Auf der anderen Seite kann sich das Wachstum der Diversität aufgrund von Phänomenen wie Nischenbildung (siehe: Kettenreaktion der Artbildung, Elemente, 11. Februar 2009) beschleunigen und die Wahrscheinlichkeit des Aussterbens von Arten verringern, die mit Gemeinschaften hoher Diversität assoziiert sind. (Siehe: In einer vielfältigen Gemeinschaft haben Tiere weniger Chancen zu verschwinden, "Elements", 13. Mai 2009). Dies sind Beispiele für positive Rückmeldungen in der Evolution der Biodiversität.

In einer Reihe von kurzfristigen evolutionären Experimenten an Bakterien Pseudomonas fluorescens Biologen aus Deutschland und Frankreich haben einen weiteren möglichen Mechanismus aufgezeigt, mit dem die Artenvielfalt ihr eigenes Wachstum ankurbeln kann.

Die Versuche wurden an acht Pseudomonadenstämmen durchgeführt, die formal alle zur Form gehören Pseudomonas fluorescens, gleichzeitig unterscheiden sie sich jedoch stark in ihren biochemischen und ökologischen Parametern, weshalb die Autoren sie als "Spezies" bezeichnen und die Diskrepanz der Nomenklatur ignorieren.

Der Schwerpunkt der Forscher war die Belastung (oder Arten) P. Fluorescens F113, in dessen Genom das Kanamycinresistenzgen hinzugefügt wurde, um es bequem von anderen Spezies zu trennen. Aus dieser und sieben weiteren Arten wurden mikrobielle Gemeinschaften mit unterschiedlichen Arten und unterschiedlicher Artenvielfalt zusammengestellt. Unter Functional Diversity (RF) wird die Diversität der Spektren der Nutzung von Nahrungsressourcen (Kohlenstoffquellen) in Bakterien verstanden, die einer Gemeinschaft angehören. Das Nährstoffspektrum jedes Stammes wurde mit Biolog EcoPlate Platten bestimmt (Abb. 1).

Die Forscher kontrollierten nicht nur die Vielfalt der Gemeinschaft, in der die Evolution von Stamm F113 vor sich ging, sondern auch die Fähigkeit von Bakterien zu schnellen evolutionären Veränderungen. Zu diesem Zweck wurde jedes Experiment mit modifizierten F113-Bakterien wiederholt, in denen das ortsspezifische Rekombinasegen deaktiviert war (siehe ortsspezifische Rekombination) XerD.Dieses Enzym formt das Genom von Zeit zu Zeit um und tauscht seine Fragmente aus, was die Häufigkeit mutierter Zellen dramatisch erhöht. Daher sollte das Abschalten von Bakterien die Fähigkeit von Bakterien, sich schnell anzupassen, verringern.

Während jedes Experiments wurde eine frisch zubereitete mikrobielle Gemeinschaft mit einem bestimmten Grad an funktioneller Diversität (RF) und Stamm F113 in einem Verhältnis von 4: 1 gemischt, und die resultierende Mischung entwickelte sich dann innerhalb von 48 Stunden, was etwa fünfzig Generationen (Zellteilungen) entspricht. Die Autoren hofften, dass in so kurzer Zeit die Bakterien F113 rec (ohne XerD), wird keine Zeit haben, sich zu ändern, weil sie zu wenige nützliche Mutationen haben werden. Diese Erwartungen wurden anschließend bestätigt.

Es stellte sich heraus, dass je höher der DF der Gemeinschaft ist, desto geringer ist der Anteil von F113 in der Endmischung von Mikroben nach dem 48-stündigen Experiment. Dies bedeutet, dass der intensive interspezifische Wettbewerb um Ressourcen die Reproduktion von F113 begrenzt. Dasselbe kann mit anderen Worten gesagt werden: Die relative Fitness von F113 (in Bezug auf den Rest der Gemeinschaft) nimmt mit zunehmendem FR ab.

In den Wildtyp-Mikroben (F113 rec+a) Die Abnahme der Fitness bei einem Anstieg der FR ist weniger ausgeprägt als bei modifizierten Mikroben mit verzögerter Mutagenese (F113 rec). Zusätzliche Experimente bestätigten, dass Mikroben F113 rec+ Am Ende des Experiments konkurrieren sie erfolgreich mit anderen Mikroben aus "ihrer" Gemeinschaft als F113 rec. Dies bedeutet, dass aufgrund der XerD-Rekombinase die Anpassung von Bakterien an das Leben in der Gemeinschaft erfolgreicher war.

Jetzt war es notwendig zu überprüfen, ob F113 rec aufgetreten ist.+ im Verlauf des Experiments wurde diversifiziert, dh ob neue Phänotypen auftraten, die sich von denen im Spektrum der verwendeten Ressourcen unterschieden. Dazu wurde eine Bakteriensuspension verdünnt, auf Agar ausgesät und die Morphologie der aus Einzelzellen entwickelten Kolonien untersucht. Tatsache ist, dass P. fluorescensWie viele andere Bakterien verändern auch Mutationen, die den Stoffwechsel verändern, oft die Form der Kolonien. Es stellte sich heraus, dass unter den Bakterien F113 rec+ eine Menge Mutanten erschienen wirklich. Je höher der DF der Gemeinschaft, desto größer war zudem der Anteil verschiedener Mutanten unter F113 rec+ am Ende des 48-stündigen Experiments. In einigen Fällen verdrängten die Mutanten den ursprünglichen Stamm vollständig (Fig. 2). So wurde bestätigt, dass die Vielfalt der Gemeinschaft zur Diversifizierung beiträgt. Unter den Mikroben F113 rec Mutanten konnten nicht gefunden werden.

Abb. 2 Der Anteil der mutierten Zellen unter den Bakterien F113 rec+ am Ende des 48-stündigen evolutionären Experiments, abhängig von der funktionalen Vielfalt der Gemeinschaft, in der die Evolution stattfand. Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Wissenschaft Fortschritte

Die Autoren bestimmten die Verwendungsmöglichkeiten von Nahrungsressourcen durch mutierte Bakterien und verglichen sie mit den Nahrungsvorlieben des ursprünglichen Bakteriums F113 sowie sieben anderer Spezies, die an dem Experiment teilnahmen. Es stellte sich heraus, dass der Hauptwettbewerb zwischen Mikroben nur ein Teil der im Nährmedium vorhandenen Substanzen ist. Die meisten Arten ernähren sich von diesen "populären" Kohlenstoffquellen. Zur gleichen Zeit in der Umwelt gibt es viele andere Nährstoffe, die weniger intensiv und nur bestimmte Arten verwendet werden. Entsprechend ist der Wettbewerb um diese "unpopulären" Substanzen schwächer. Die acht Spezies, die an dem Experiment teilnahmen, haben ähnliche Spektren für die Verwendung von "populären" Substanzen, unterscheiden sich jedoch stark in der Verwendung von "unpopulären" Substanzen.

Der ursprüngliche Stamm F113 war ein trophischer Spezialist, das heißt, er ernährte sich wie die meisten anderen Spezies – Teilnehmer an dem Experiment – im Wesentlichen von einem kleinen Satz "beliebter" Substanzen und verwendete nur die "unpopulären" Substanzen. Alle Mutantenbakterien, die von F113 abgeleitet sind und eine merkliche Anzahl erreicht haben (das heißt, durch Selektion unterstützt), unterscheiden sich von dem ursprünglichen Stamm in einem breiteren Bereich von aktiv verwendeten Ressourcen.Mutanten wechselten weitgehend auf "unpopuläre" Kohlenstoffquellen. Verglichen mit dem Stamm F113 wurden sie trophische Generalisten. Offensichtlich half dies ihnen, den Wettbewerb zu vermeiden und sorgte in Gemeinden mit hohem DF für Erfolg.

Es stellte sich auch heraus, dass die Mutanten, die gelernt haben, die Ressourcen, die nicht von der Gemeinschaft verwendet wurden, effektiv zu nutzen, einen beträchtlichen Preis für diese evolutionäre Leistung zahlten: ihre Anpassungsfähigkeit an das Leben unter Bedingungen der reduzierten interspezifischen Konkurrenz nahm ab. Sie verlieren ihre Wachstumsrate an ihre Vorfahren – das nicht-mutierte Bakterium F113, wenn es keine anderen konkurrierenden Arten in der Nähe gibt (oder wenn es nur wenige solcher Arten gibt und die Gemeinschaft DF niedrig ist). Dies erklärt, warum sich Mutanten – Nahrungsgeneralisten hauptsächlich in Gemeinschaften mit hoher RF ausbreiten, wo die Eignung des ursprünglichen Stammes F113 aufgrund akuter interspezifischer Konkurrenz reduziert wurde. Nur deshalb konnten mutierte Generalisten mit ihm zusammenkommen.

Es gab nichts Unerwartetes darin, dass die erfolgreiche Entsorgung einiger Substanzen durch die Verringerung der Effizienz der Verwendung anderer Substanzen bezahlt wurde: Dies ist eine häufige, wenn auch viele Ausnahmen, evolutionäre Regel – das Prinzip des "evolutionären Kompromisses" (Trade-off, siehe: Peter T. Ellison, 2014Evolutionäre Kompromisse). Spezialist, wie Sie wissen, ist wie ein Fluss, aber in ihrem engen Bereich, gewinnt er in der Regel den Generalisten Wettbewerb. Es ist wichtig, dass in diesem Fall konnte experimentell die Rolle des evolutionären Kompromisses bei der Bildung von verschiedenen Gemeinschaften demonstrieren. Wenn Stämme, die ohne Verlust der ursprünglichen Belastung im Wettbewerb um den „populären“ oder Substrate für etwas anderes unter anderen Umständen effektiv entsorgen „unbeliebt“ Kohlenstoffquellen können, würden sie schon vor langer Zeit haben verdrängte ihn überall, und die weltweite biologische Vielfalt würde sinken.

So bestätigte die Studie, dass die hohe Vielfalt der Gemeinschaft ihr eigenes Wachstum stimulieren, zur Diversifizierung der Arten in der Gemeinschaft einbezogen beitragen. Der vorgeschlagene Mechanismus basiert auf dem Wettbewerb um Ressourcen und unterscheiden sich von den „schaffen Nischen“, obwohl die Autoren erkennen an, dass die Schaffung von Nischen (zB die Verwendung von einigen Stämmen der Abfallprodukte anderer oder andere Varianten der gegenseitig vorteilhaften Beziehungen finden Sie unter:. Die Evolution der Arten in der Gemeinschaft ist nicht so in Monokultur könnte "Elements", 19.05.2012) ebenfalls einen Beitrag zu den Ergebnissen leisten.

Es ist offensichtlich, dass das Wachstum der Biodiversität die Diversifizierung nicht in die Unendlichkeit beschleunigen kann: Irgendwann sollte die Sättigung eintreten. Das ganze Spiel baut auf der Verfügbarkeit nicht ausgelasteter Ressourcen im System auf, und früher oder später wird die Artenvielfalt wachsen, so dass die Ressourcen auf die letzte Krume aufgeteilt werden. Wahrscheinlich wird die Biodiversität die Diversifizierung schon lange vor diesem Punkt verlangsamen. Weitere Studien werden zeigen, wie weit dieser Mechanismus des autokatalytischen Wachstums der Biodiversität in der Natur verbreitet ist.

Unter anderem zeigte die Studie deutlich, dass die "ökologischen" und "evolutionären" Zeitskalen zumindest in der Mikrobenwelt fast deckungsgleich sind. Die wirklichsten evolutionären Veränderungen, die auf Mutationen und Selektion beruhen und die funktionale Struktur und Vielfalt der Gemeinschaft verändern, sind in diesem Experiment in einigen lächerlichen 48 Stunden aufgetreten.

Quelle: Alexandre Jousset, Nico Eisenhauer, Monika Merker, Nicolas Mouquet, Stefan Scheu. Hohe funktionelle Diversität stimuliert die Diversifizierung experimenteller mikrobieller Gemeinschaften // Wissenschaft Fortschritte. 2016. V. 2. P. e1600124.

Siehe auch:
1) Eine Vielzahl tropischer Insekten wird aufgrund der engen Spezialisierung der Parasiten "Elements", 18.03.2014 erhalten.
2) Die Entwicklung der Arten in der Gemeinschaft geht anders als in Monokultur, "Elements", 19.05.2012.
3) Es wurde experimentell bewiesen, dass die Diversität der Pflanzengemeinschaften durch die Divergenz der Arten in verschiedenen Nischen unterstützt wird, "Elements", 23.09.2009.
4) In einer vielfältigen Gemeinschaft sterben Tiere weniger wahrscheinlich aus, "Elements", 13.05.2009.
5) Kettenreaktion der Artbildung, "Elemente", 11.02.2009.
6) Die biologische Vielfalt sowie die Population wachsen entlang der Hyperbel (nach dem Artikel von A. V. Markov und A. V. Korotayev "Die Dynamik der Diversität der phanerozoischen Meerestiere entspricht dem Modell des hyperbolischen Wachstums").

Alexander Markow


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