Ziemlich beste Freunde

Die über lange Zeit gemeinsam verlaufende Entwicklung von Wirt und Symbiont hat auch im Erbgut der Beteiligten Spuren hinterlassen. Zahlreiche Gene von Tierwirten sind identisch mit Sequenzen, die sich auch bei Mikroben finden. Gleiches gilt für den Menschen. Das ist eine Folge des Millionen Jahre langen symbiontischen Zusammenlebens mit Abertausenden Mikroben – in ihrer Gesamtheit als Mikrobiom bezeichnet. Wichtig sind vor allem das Mikrobiom im Darm mit seiner Bedeutung für Ernährung und Krankheitsabwehr sowie das Mikrobiom auf der Hautoberfläche – ebenfalls zum Schutz der Gesundheit.

Insbesondere Endosymbiosen, bei denen ein Partner den anderen ganz aufnimmt, ermöglichen die Einschleusung neuen Erbguts oder den wechselseitigen Austausch. Ist der horizontale Gentransfer im Zuge einer Symbiose erst einmal geschafft, folgt die vertikale Weitergabe an die Nachkommen meist zwangsläufig. Termiten hat diese Form der Symbiose ein Alleinstellungsmerkmal verschafft: In ihrem Darm leben Geißeltierchen, die abgeraspelte Holzstückchen verdauen – wohl einzigartig im Tierreich. Vergleichbar mit diesen Endosymbionten sind Mikroorganismen im Verdauungstrakt von Säugetieren, etwa Bakterien im Pansen von Wiederkäuern, die pflanzliches Zellmaterial aufschließen. Jüngst beschrieben wurde solch eine Endosymbiose für Mangrovenquallen, die sich dann und wann umdrehen, mit dem Körper unterhalb ihrer Tentakel schwimmen und diese nach oben strecken, dem Sonnenlicht entgegen. So ermöglichen sie kleinen, in den Tentakelspitzen lebenden einzelligen Algen, Photosynthese zu betreiben. Der Preis für den Platz an der Sonne: Die Alge spendiert der Qualle einen Großteil der hergestellten Kohlenhydrate.

Und das Lehrbuchbeispiel Flechte? Hier weiß man inzwischen, dass weitere Organismen beteiligt sind. Das Bild dieser Symbiose verfeinert sich zusehends: Sind neben Pilz und Grünalge zudem Cyanobakterien (Blaualgen) beteiligt, kann die Flechte auch Luftstickstoff nutzen. Die Mikroben nehmen ihn ebenso wie Kohlenstoff auf und binden ihn an Wasserstoff. Das entstehende Ammonium baut der Pilz mit anderen Molekülen zu Proteinen zusammen. Zudem löst er mit Säuren Mineralien aus dem Untergrund, wovon die Symbiosepartner ebenfalls profitieren. Der Pilz seinerseits beansprucht über 90 Prozent der von der Alge erzeugten Photosyntheseprodukte. Das Mikroklima zwischen den Pilzfäden schützt die sonst nur im Wasser überlebensfähigen Algen und Cyanobakterien vor dem Austrocknen. So versorgen sich die Partner gegenseitig und sichern gemeinsam ihr Überleben. Der neue Organismus Flechte kann sich zudem unwirtliche Lebensräume erschließen und sich an Klimaänderungen anpassen.

Die jüngste Entdeckung verfeinert das Bild dieser Symbiose weiter: Kürzlich fanden kanadische Forscher von der University of Alberta weitere unbekannte Partner im Flechtengeflecht. Zunächst entdeckten sie einen Hefepilz als eigenständigen Akteur bei Dutzenden Flechtengattungen, dann stießen sie bei der mikroskopischen Analyse von Wolfsflechten auf einen ansonsten eher parasitär lebenden Gallpilz als dritten Pilzpartner. Drei Pilzarten plus zwei Algen können sich somit nach aktuellem Wissensstand zu einer Flechte zusammenfügen. Ist da ein Ende an Ausdifferenzierung überhaupt in Sicht?

In jedem Fall ist die Symbiose ein äußerst vielschichtiger Prozess des Lebens, der auf zahlreichen Ebenen wirkt und eingreift. Er verändert relativ schnell und dauerhaft das Erbgut der Beteiligten. Diese können sich rascher oder besser an neue Gegebenheiten anpassen – etwa nach einer Umweltkatastrophe oder bedingt durch die Erderwärmung. Die Symbiose an sich verschafft hier einzelnen Individuen im darwinschen Sinn einen Selektionsvorteil – womöglich deshalb ist sie so weit und in so unterschiedlichen Ausformungen verbreitet, an Land wie im Wasser.

AN LAND

Ameisen im Wechselspiel

Ein Ameisenbaum ist der Wohnsitz vieler Tausender Ameisen. Das Heer der Gliedertiere verteidigt seinen Baum äußerst aggressiv gegen andere Insekten, die dessen Blätter fressen wollen. Weil sie ihren Gastgeber zudem von Pilzen und überflüssigem Grünzeug freihalten, finden die Ameisen in den Hohlräumen der Äste ein sicheres Zuhause und Nahrung in Form von Blattnektar und protein- oder fettreichen Futterkörperchen. Das sind kleine Tröpfchen, die einige Pflanzen – darunter etliche der rund 700 Akazienarten – in eigenen Nebenblättern, hohlen Blattdornen, innerhalb kleiner Stängelfortsätze oder an der Unterseite der Blattstiele produzieren. Allerdings nur dann, wenn sie auch tatsächlich von Ameisen bewohnt sind.

Um grundsätzlich herauszufinden, wie eine Symbiose sich entwickelt, haben Forschende das Genom von 1700 Ameisenarten und 10.000 Pflanzengattungen untersucht. Das Ergebnis: Die in einer Symbiose lebenden Partner bewegten sich im Laufe von 145 Millionen Jahren evolutiv immer weiter aufeinander zu. Suchten die Ameisen erst noch räuberisch am Boden nach Futter, machte der dargebotene Nektar sie irgendwann zu Vegetariern, bevor sie ganz auf die Pflanzen übersiedelten. Ihnen entgegenkommend entwickelten einige Gewächse spezifisch angepasste Pflanzenteile zur geschützten Beherbergung der Tiere und zu deren Ernährung. Also: Eine Seite macht den ersten Schritt, und der Rest des Symbiosewegs erfolgt in einem Wechselspiel von Evolution und Ko-Evolution.

So auch bei Wanderameisen und ihren tierischen Symbiosepartnern: Die Ameisen tragen den lieben langen Tag pflanzensaugende Schmierläuse zu immer neuen Futterplätzen und bauen ihnen für die Nacht eigens Nester. Sie beschützen also „ihre“ Läuse vor Fressfeinden, im Gegenzug dürfen sie ihre Haustiere nach Belieben melken und partizipieren so an dem süßen Pflanzensaft, auch Honigtau genannt, den die Parasiten durch Anbohren von Pflanzen aufnehmen. Derzeit sind knapp 20 solcher Ameisenarten bekannt, die mit Läusen vergesellschaftet ein Nomadendasein führen. Die mit der Symbiose eng zusammenhängenden Veränderungen erstrecken sich über Verhaltensmuster bis zum Körperbau: So ist der Läusekopf bei einigen Arten henkelförmig ausgezogen und damit ein idealer Haltegriff für die Mundwerkzeuge „ihrer“ Ameisen.

Gute Nachbarschaft

Eine enge Beziehung zwischen einem Krokodil und einem Vogel sieht auf den ersten Blick nicht nach einer Win-win-Situation aus – zumindest nicht für den Vogel und damit auch nur kurze Zeit für das Krokodil. Wider Erwarten gibt es aber diesen Fall. Das Nilkrokodil und der Wassertriel, eine kleine afrikanische Vogelart aus der Familie der Regenpfeifer, leben in guter Nachbarschaft und in einer besonderen Form der Symbiose: Sie wechseln sich als Babysitter ab. Geht das Krokodil auf die Jagd, stößt der Wassertriel einen Warnruf aus, sobald sich ein potenzieller Dieb, zum Beispiel eine Echse, für die verbuddelten Krokodileier interessiert. Geht der Wassertriel auf Futtersuche, greift das Krokodil an, wenn ein Tier auch nur den Anschein erweckt, es könne sich für das Vogelgelege interessieren.

David mit Goliath

Im Amazonas-Urwald leben etliche Vogelspinnenarten, von denen einige erst vor wenigen Jahren entdeckt wurden. Die Goliath-Vogelspinne unter ihnen bietet einen imposanten Anblick: Mit bis zu zwölf Zentimeter Körperlänge ist sie die größte bekannte Spinne der Erde. Sie lebt in Erdhöhlen und jagt vor allem Insekten – aber darauf sollte man sich nicht unbedingt verlassen, war zuletzt wiederholt in Journalen und Expeditionsberichten zu lesen wie jenen des Urwaldforschers und Insektenfotografen Piotr Naskrecki. Denn sie greift wohl alles an, was ihr über den Weg läuft. Einen kleinen Hund etwa sollte man besser nicht mit auf eine Spinnenexkursion nehmen. Nur der Engmaulfrosch kann der Spinne und ihrem Gelege gelassen sehr nahekommen. Er vertilgt dort Milben und kleine Insekten, die sonst über die Spinneneier im Kokon herfallen. Im Gegenzug beschützt die Goliath-Spinne den kleinen Frosch vor Fressfeinden.

Mit Schwert und Trompete

Weit mehr als die Hälfte aller Pflanzen in Nord-, Mittel- und Südamerika arbeiten mit Kolibris zusammen – und noch immer werden neue Symbiosen entdeckt. Das grundsätzliche Prozedere ist stets dasselbe: Die Vögel bestäuben die Blüten und werden mit Nektar belohnt. Diese Lebensgemeinschaften haben sich im Lauf von vielen Millionen Jahren ausdifferenziert. So haben Blüten ihre Form im Zuge evolutiver Prozesse derart verändert, das nur noch jeweils Vögel, Fledermäuse oder Insekten meist einer einzigen Art den Nektar im Kelchinneren erreichen. Auf diese Weise versorgen sich beide Spezies wechselseitig exklusiv.

Kolibris sind bekannt dafür, spezifisch an ihre Wirtsart angepasst zu sein. Doch der Schwertschnabel-Kolibri durchbricht dieses Prinzip. Südamerikanische Wissenschaftler haben entdeckt, dass der in den Anden beheimatete kleine Vogel gleich zwei Pflanzen erobert hat: Sein Schnabel ist mit zehn Zentimetern fast so lang wie sein Körper – ein Rekord im Vogelreich. Damit gelingt es ihm, den Nektar aus dem 20 Zentimeter langen Kelch der Engelstrompete und den kaum weniger tiefen, röhrenförmigen Blüten der Passionsblume zu saugen.

IM WASSER

Ein Rundum-Sorglos-Paket

Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus gedeihen in der scheinbar lebensfeindlichen Umwelt der Tiefsee mithilfe symbiotischer Partner-Mikroben. Diese wandeln sonst nicht verwertbare Stoffe in Nahrungsbestandteile um. Die Bathymodiolus-Muscheln revanchieren sich bei ihren Untermietern: Sie ermöglichen den Mikroben durch ihre Anwesenheit den Aufenthalt nahe einer Futterquelle, etwa bei den Schwarzen Rauchern. Dort entströmen am Meeresboden mineralhaltige Flüssigkeiten – angereichert vor allem mit Eisen, Mangan, Kupfer und Zink. Nahezu ohne Nahrungskonkurrenten filtern die Mikroben die Nährstoffe aus dem Wasser. Das kommt sowohl ihnen als auch den Muscheln zugute.

Anders als erwartet, fand ein Team um Rebecca Ansorge, die inzwischen am Quadram-Forschungsinstitut Norwich in Großbritannien arbeitet, bis zu 16 verschiedene Bakterienstämme in den Kiemen von Bathymodiolus-Muscheln – also weitaus mehr als die bis dato zwei bekannten Symbiosepartner. „Mit dieser Vielzahl unterschiedlicher Mikroben schnüren die Tiefseebewohner ein Rundum-Sorglos-Paket“, sagt Ansorge. Denn die einzelnen Stämme erfüllen verschiedene Funktionen: Während manche Mikroben sich beim Filtern der Nährstoffe auszeichnen, sind andere widerstandsfähiger gegen Viren oder Parasiten. Dank dieser Vielfalt an Mikroben sind die Weichtiere für nahezu alle Eventualitäten gewappnet und können sich schnell an Veränderungen in ihrer Umwelt anpassen, schreiben die Forschenden.

Die Gift-Entsorger

Ebenfalls auf dem tiefen Grund der Meere und zumeist ebenso in der Nähe Schwarzer Raucher siedelnde Furchenkrebse der Art Munidopsis alvisca beherbergen auf ihren Panzern ein spezielles Ökosystem. Zu den mikrobiellen Bewohnern gehören Methan- und Schwefelbakterien. Sie verwerten energiereiche chemische Verbindungen wie Methan oder Schwefelwasserstoff, die mit dem Wasser heißer Quellen ins Meer strömen. „Diesen Organismen bietet der Krebspanzer einen stabilen Lebensraum nahe nährstoffreicher Flüssigkeiten“, sagt Thorsten Brinkhoff vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) an der Universität Oldenburg.

Die Krebse wiederum könnten Bakterien auf ihrem Panzer als Nahrungsquelle nutzen, aber da sind sich die Wissenschaftler nicht sicher. Möglich ist auch, dass die Mikroben helfen, den giftigen Schwefelwasserstoff aus dem Körper der Schalentiere zu entsorgen, denn die Substanz blockiert bei höheren Lebewesen die Atmung.

Partnerschaft mit Wassergott Neptun

Weltweit wachsen vor den Küsten riesige Seegrasfelder auf einer Fläche von insgesamt 600.000 Quadratkilometern, das ist etwa die Größe Frankreichs. Diese sensiblen Ökosysteme bieten Hunderten gefährdeter Tiere wie Schildkröten, Seepferdchen oder Seekühen und der Brut unzähliger Spezies dringend benötigten Lebensraum und Schutz. Zudem binden die Unterwasserwiesen eine große Menge an atmosphärischem Kohlenstoff, was dem globalen Klima hilft. Limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum ist der Stickstoff. Obwohl Meerwasser große Mengen davon enthält, können ihn Pflanzen in der vorliegenden Form nicht überall nutzen beziehungsweise ihn sich nicht in ausreichender Menge erschließen lassen. „Man nahm an, dass der fixierte Stickstoff von Bakterien, die in Wurzelnähe leben, aufgeschlossen und bereitgestellt wird“, erklärt Wiebke Mohr vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. „Doch wir haben gezeigt, dass die Verbindung räumlich viel enger ist: Die Bakterien leben in den Wurzeln!“ Das qualitative Wachstum der Pflanze korreliert eindeutig mit der Menge des von Celerinatantimonas neptuna umgewandelten Stickstoffs. Das Bakterium wurde benannt nach seinem Symbiosepartner, dem Neptungras.

Die Energie-Lieferanten

Stickstoff liegt vor allem als Nitrat oder Nitrit oder in molekularer Form vor. Forschende vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen entdeckten nun einen Symbionten, der Nitrat statt Sauerstoff nutzt und dadurch seinen Wirt mit Energie versorgt. Das Team um Jon Graf hatte sich in den sauerstofffreien tiefen Wasserschichten des Schweizer Zugersees auf die Suche nach Methanbakterien gemacht. Bei genetischen Analysen im Anschluss an die Tauchgänge stießen die Wissenschaftler auf eine genetische Sequenz, die den kompletten Stoffwechselweg der Nitratatmung kodiert. Die Forschenden schrieben das recht kleine Stück Erbmaterial einem unbekannten Symbionten zu. Nachdem sie die Gensequenz komplett entschlüsselt hatten, suchten sie im Tiefenwasser des Sees nach dessen Herkunft. Sie identifizierten schließlich ein Bakterium, das in einem Wimpertierchen lebt.

„Dem Wimpertierchen ist es offenbar gelungen, sich geschickt mit Energie zu versorgen“, sagt Graf. „Es hat ein Bakterium aufgenommen, das Energie dauerhaft in seinen Organismus überführt.“ Das Spektakuläre an dieser Lebensgemeinschaft: Die über die Nitratatmung gewonnene Energie wird direkt vom Symbionten auf den Wirt übertragen – allerdings nicht wie üblich über Nahrungsbestandteile. „Die Bakterien liefern den Wimpertierchen keine Kohlenhydrate, sondern Adenosintriphosphat, das ein universeller Energieträger in lebenden Organismen ist“, sagt Forscherkollegin Jana Milucka. Damit ergänzen die Endosymbionten bei ihren Wirten die Funktion der Mitochondrien, den eigentlich Energie bereitstellenden Zellkraftwerken.