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Wie entsteht Kooperation? Forschende finden heraus, warum sich Organismen oft gegenseitig helfen

In der Natur unterstützen sich Organismen oft gegenseitig, um dadurch einen Vorteil zu erlangen. Diese Art der Hilfeleistung wiederspricht jedoch der von Charles Darwin vorgeschlagenen Evolutionstheorie: Wieso sollten Organismen wertvolle Ressourcen investieren, um damit anderen zu helfen? Stattdessen sollten sie diese eher für sich selbst nutzen, um dadurch den evolutionären Wettbewerb mit anderen Arten gewinnen zu können. Eine unter der Leitung von Christian Kost von der Universität Osnabrück durchgeführte Studie löst nun dieses Rätsel. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie (Current Biology, July 2020, DOI 10.1016/j.cub.2020.06.100).
Bakterienzellen die Teil einer Gruppe sind (rechts), werden durch positive Rückkopplung für Ihre Kooperation belohnt. Einzelne Zellen (links) haben nichts davon, wenn Sie versuchen anderen zu helfen. Copyright: Universität Osnabrück/Abteilung für Ökologie

Bakterienzellen die Teil einer Gruppe sind (rechts), werden durch positive Rückkopplung für Ihre Kooperation belohnt. Einzelne Zellen (links) haben nichts davon, wenn Sie versuchen anderen zu helfen. Copyright: Universität Osnabrück/Abteilung für Ökologie

Wechselwirkungen zwischen zwei oder mehr Organismen, bei denen alle beteiligten Gruppen einen Vorteil erlangen, sind in der Natur allgegenwärtig und spielten eine Schlüsselrolle bei der Evolution des Lebens auf der Erde. Beispielsweise binden Wurzelbakterien Stickstoff aus der Atmosphäre und stellen diesen Pflanzen zur Verfügung. Im Gegenzug beliefert die Pflanze ihre Wurzelbakterien mit dem Nährstoff Zucker. Jedoch ist es für beide Interaktionspartner kostspielig, dem jeweils anderen zu helfen. Beispielsweise benötigt das Bereitstellen von Zucker Energie, die dann der Pflanze fehlt. Hieraus ergibt sich die Gefahr, dass betrügerische Interaktionspartner den Zucker einfach nehmen, ohne dafür gebundenen Stickstoff zurückzugeben.

Das Forscherteam um Christian Kost nutzte Bakterien als Modellsystem, um die Entstehung wechselseitiger Kooperation zu untersuchen. Zu Beginn des Experimentes konnten zwei Bakterienstämme nur wachsen, wenn sie sich gegenseitig Aminosäuren zur Verfügung stellten. Im Laufe mehrerer Generationen entwickelte sich jedoch aus diesem Austausch von Stoffwechsel-Nebenprodukten eine echte Kooperation: beide Seiten erhöhten die Produktion der ausgetauschten Aminosäuren, um so dem Partner einen Vorteil zu verschaffen. Obwohl diese Änderungen das Wachstum beider Stämme erhöhten, wenn beide Partner anwesend waren, so war die erhöhte Aminosäureproduktion äußerst kostspielig, wenn die Stämme alleine wachsen mussten.

Die beobachteten Veränderungen wurden dadurch erzielt, dass sich einzelne Zellen zu multizellulären Clustern zusammenlagerten. In diesen Zellgruppen wurden kooperative Mutanten belohnt. Je mehr diese nämlich in das Wachstum der jeweils anderen Zellen investierten, desto mehr Nährstoffe bekamen sie auch zurück.

„Diese Art von Rückkopplung stellt einen bisher unbekannten Mechanismus dar, durch den sich kooperative Wechselwirkungen zwischen zwei unterschiedlichen Organismen entwickeln können.“ so Prof. Dr. Christian Kost, Leiter der Studie. Obwohl diese Untersuchung mit Bakterien im Reagenzglas durchgeführt wurde, kann der hierbei entdeckte Mechanismus höchstwahrscheinlich die Entstehung von Kooperation in einer Vielzahl sehr unterschiedlicher ökologischer Wechselbeziehungen erklären.

 

Originalveröffentlichung:
Preussger, D., Giri, S., Muhsal, L., Oña, L., Kost, C. (2020). Reciprocal fitness feedbacks promote the evolution of mutualistic cooperation. Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2020.06.100
https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.06.100