Was haben der menschliche Darm und Korallenriffe gemeinsam? Sie weisen weder gemeinsame mikrobielle Taxa noch gemeinsame Wirte oder Zeitskalen auf, doch beide sind äußerst komplexe Ökosysteme, die bei Störungen dieselben mikrobiellen Signale liefern – und das hat Auswirkungen darauf, wo wir NICHT nach Antworten suchen sollten.
Willkommen zu einer weiteren Folge von „Meren’s Monday Morning Procrastination“, in der Meren sehr früh zur Arbeit kommt, um Dinge zu erledigen, dann seine E-Mails checkt, um die neuesten Google-Scholar-Benachrichtigungen zu lesen, am Ende drei Stunden mit Lesen und Schreiben verbringt und euch dann hierher bringt – und nun müsst auch ihr prokrastinieren. DANKE, MEREN.
Nun, ich habe gerade ein brandneues Preprint von Marko Terzin et al. mit dem Titel “No-take marine reserves promote oligotrophic reef bacterioplankton communities across the Great Barrier Reef” gelesen.
Eine bemerkenswerte Studie, in der Meeresmikroben aus 48 Riffen des Great Barrier Reef verglichen werden. Von diesen Riffen befinden sich 23 in Meeresschutzgebieten mit Fangverbot (d. h. in bestimmten Zonen, in denen das Fischen und das Sammeln von Meereslebewesen verboten sind), während die übrigen 25 in Zonen liegen, in denen die Fischerei erlaubt ist. Dabei ist zu beachten, dass es sich hierbei eher um ein Spektrum relativ geringer Belastung handelt als um einen Gegensatz zwischen unberührten und ausgebeuteten Gebieten: Die meisten der befischten Riffe (20 von 25) liegen in Zonen, in denen alles außer der Schleppnetzfischerei erlaubt ist.
Die Forscher stellen fest, dass die Mikroben in geschützten Gewässern kleinere Genome, einen geringeren GC-Gehalt und unvollständige Stoffwechselmodule aufweisen. Sie können weder eigenes Vitamin B12 noch eigene Aminosäuren bilden und sind voneinander abhängig, was mit ihren Ko-Vorkommens-Netzwerken übereinstimmt, die voller positiver Assoziationen sind (d. h., diese Riffe weisen viele Mikroben mit „geringer metabolischer Unabhängigkeit“ auf). Im Gegensatz dazu verhalten sich Mikroben in befischten Gewässern genau umgekehrt. Sie verfügen über größere Genome und kodieren vollständige Biosynthesewege für essentielle Verbindungen. Sie sind autark (d. h., diese Riffe weisen viele Mikroben mit „hoher metabolischer Unabhängigkeit“ auf).
Was ich beim Lesen des Papers besonders spannend fand: Die allgemeinste Beobachtung darin ist fast identisch ist mit dem, was wir vor Jahren in der Studie von Watson, Füssel und Veseli et al. über den menschlichen Darm berichtet haben. Darin zeigten wir, dass gesunde menschliche Därme durch eine größere Anzahl von Mikroben gekennzeichnet sind, die ihre eigenen Nukleotide, Aminosäuren und Vitamine nicht selbst synthetisieren können und stattdessen auf Ökosystemleistungen angewiesen sind, die mit der Homöostase zusammenhängen. Im Gegensatz dazu waren die Mikroben, die bei Personen mit entzündlichen Darmerkrankungen dominierten, solche mit größeren Genomen, die alles, was sie benötigten, selbst herstellen konnten (wir haben diese Beobachtungen später in einer weiteren Studie von Veseli et al. auf Tausende von Metagenomen ausgeweitet).
Ich weiß, dass wir in der marinen Mikrobiologie Glück haben … wir haben die Streamlining-Theorie, um zu erklären, warum Genome schrumpfen, wenn die Ressourcen begrenzt, aber stabil sind, und wir haben die „Black-Queen-Hypothese“, um zu erklären, warum es evolutionär sicher ist, Funktionen zu verlieren, deren Produkte von anderen in die Umwelt abgegeben werden. Es ist wie es ist, ich bin derzeit noch nicht bereit, mich dieser Herausforderung direkt zu stellen, aber ich möchte hier darauf hinweisen, dass die Streamlining-Theorie nicht erklärt, warum wir auch im menschlichen Darm eine dramatische Anreicherung kleiner Genome beobachten – der wohl am wenigsten oligotrophen und nährstoffreichsten Umgebung, die man sich auf unserem Planeten vorstellen kann (abgesehen natürlich von Abwasser) –, und die „Black-Queen-Hypothese“ setzt im Kern zuverlässige Lieferanten in einem funktionierenden Ökosystem voraus, sodass eine Verwässerung der Ressourcen kein Faktor ist. Meiner Meinung nach deutet dies darauf hin, dass der Zusammenhang zwischen Biodiversität und der allgemeinen metabolischen Unabhängigkeit innerhalb von Gemeinschaften weniger damit zusammenhängt, wie viel Kohlenstoff vorhanden ist, sondern vielmehr damit, ob ein Ökosystem stabil genug ist, um diejenigen zu unterstützen, die Ökosystemleistungen benötigen. Ich werde diesen Hinweis hier stehen lassen und vielleicht in Zukunft darauf zurückkommen, wenn ich klüger bin. Nun vergesst bitte, dass ihr diesen Absatz gelesen habt, und lest weiter :p
Wenn man darüber nachdenkt, könnten ein Korallenriff und der menschliche Darm in vielerlei Hinsicht nicht weiter voneinander entfernt sein. Doch beide sind komplexe Ökosysteme, die denselben ökologischen und evolutionären Gesetzen unterliegen und deren Prozesse ähnliche Auswirkungen auf die Artenvielfalt haben – und vor allem gilt: Stress ist Stress, egal wo.
Ich denke, was Terzin et al. beobachten und was wir beobachtet haben, weist auf dieselbe übergeordnete Tatsache hin: Wenn man ein Ökosystem schädigt, zerstört man die Stoffwechselpartnerschaften, die nur unter stabilen, gut funktionierenden Kreislaufbedingungen funktionieren. Und tatsächlich lässt sich dies nicht nur anhand von Genomen oder Metagenomen erkennen: Eine weitere sehr interessante Studie von Marcelino et al. zeigte die Ausdünnung der Stoffwechsel-Interaktionsnetzwerke im menschlichen Darm als Folge des Verlusts von Partnerschaften der gegenseitigen Ernährung im Krankheitsfall. Ob man nun betrachtet, was Mikroben tun können oder nicht, oder wer von wem abhängig ist – diese Partnerschaften sind immer das Erste, was verloren geht. Was übrig bleibt, sind die autarken Generalisten, die unter homöostatischen Bedingungen selten sind, aber bei deren Fehlen zur Dominanz aufblühen. Nicht, weil sie notwendigerweise für irgendetwas verantwortlich sind, sondern weil sie diejenigen waren, die dazu in der Lage waren.
Das bringt mich zu dem Problem, das ich mit der populären, vielversprechenden Erzählung im Bereich des Mikrobioms habe, die ich als „Wiederherstellung des Mikrobioms“ zusammenfassen kann.
Wenn die Zusammensetzung einer Lebensgemeinschaft das Ergebnis eines Umweltfilters ist, dann sind additive Strategien, bei denen Mikroben aus gesunden Umgebungen in ungesunde Umgebungen (wieder)eingeführt werden, angesichts dieses Filters zum Scheitern verurteilt. Probiotika für ein sich zersetzendes Riff, Probiotika für eine nicht übertragbare chronische Erkrankung des Menschen mit komplexer Ätiologie: Das ist so, als würde man feststellen, dass Häuser, die nicht brennen, voller Stühle sind, und darauf reagieren, indem man Stühle in ein Feuer trägt, ohne zunächst die eigentliche (und ziemlich offensichtliche) Ursache des Feuers anzugehen.
Was ich in Terzin et al. und in Watson, Füssel sowie Veseli et al. sehe, ist Folgendes: Mikroben sind die Wächter des Wohlergehens der Ökosysteme, in denen sie leben. Sie melden in erster Linie Befunde und reagieren darauf. Und die Lösungen, die wir brauchen, um die geschädigten Ökosysteme wiederherzustellen, erfordern, dass wir die eigentlichen Probleme beheben und nicht die Boten.
Was wir angehen müssen, sind Überfischung, CO₂-Emissionen, hochverarbeitete Lebensmittel, Betonstädte, die kein Leben ermöglichen, die Lebensmittelproduktion, Antibiotika UND die aggressive, gewinnorientierte Wirtschaft, die all diese Dinge zur billigsten verfügbaren Option macht. Natürlich erfordert der Versuch, diese Probleme zu beheben, dass wir unsere Komfortzonen verlassen und uns auf Machtspiele, Politik und andere uncoole Aktivitäten einlassen. Deshalb tun wir, was wir können, innerhalb unseres Einflussbereichs – doch das ändert nichts an der großen Wahrheit, die wir wahrscheinlich alle im Innersten spüren, bei der wir aber nicht einmal wissen, wo wir anfangen sollen: Wir müssen die Ökosysteme sanieren, indem wir unser eigenes Verhalten ändern.
Und genau an dieser Stelle kommt die Arbeit von Terzin et al. meiner Meinung nach noch stärker zur Geltung, da sie das mikrobielle Signal als das betrachten, wofür es am besten geeignet ist: als relativ unverfälschten, sehr gut skalierbaren und recht empfindlichen Indikator für den Zustand des Riffs. Sie erwähnen sogar, dass ein solches Signal genutzt werden kann, um überhaupt erst zu überwachen, ob Fangverbotszonen eingehalten werden (was ich gerne auf Untersuchungen und Diskussionen darüber ausgeweitet sehen würde, „ob Meeresschutzgebiete überhaupt einen Nutzen haben“). Und die Maßnahme, der die Studie den Erfolg zuschreibt, ist die Beseitigung des Stressfaktors selbst – in diesem Fall des Fischereidrucks –, anstatt die Lösung durch den Rückgriff auf das Narrativ „Wiederherstellung des Mikrobioms“ zu verkürzen. Respekt!
Ich weiß, ich schweife ab, aber eigentlich sind wir gar nicht so weit vom zentralen Thema entfernt:
Metabolische Unabhängigkeit ist ein taxon- und habitatunabhängiger mikrobieller Indikator für die Stabilität eines Ökosystems. Im Gleichgewicht besteht die mikrobielle Gemeinschaft aus Organismen, die alleine nicht überleben können. Wenn das Gleichgewicht gestört ist, beginnt derselbe ökologische Filter, der Abhängigkeit belohnt, diese zu bestrafen. Dies erfasst den Zustand des Ökosystems unabhängig von einem Wirt, einem Immunsystem oder Fischen direkt. Und dies ist ein viel umfassenderer Rahmen, um über die Auswirkungen von „Stress“ auf mikrobielle Ökosysteme nachzudenken, darüber, was die Indikatoren bedeuten und warum und wie sie nützlich sein könnten, um zu verstehen, wie wir auf Veränderungen der Biodiversität reagieren sollten (oder nicht).
Ich danke Terzin et al. für die Erstellung dieser großartigen Arbeit. Falls euch dieses übergreifende Thema interessiert und ihr diese Woche etwas Zeit zum Prokrastinieren habt, solltet ihr in Erwägung ziehen, alle diese Studien in folgender Reihenfolge zu lesen:
- Watson, Füssel, and Veseli et al, Metabolic independence drives gut microbial colonization and resilience in health and disease (explains changes in biodiversity under stress).
- Marcelino et al, Disease-specific loss of microbial cross-feeding interactions in the human gut (links changes in biodiversity to loss of cross-feeding interactions).
- Veseli et al, Microbes with higher metabolic independence are enriched in human gut microbiomes under stress (scales up metabolic independence hypothesis across thousands of gut metagenomes).
- Terzin et al, No-take marine reserves promote oligotrophic reef bacterioplankton communities across the Great Barrier Reef (links perturbations in reefs to increased representation of microbes with high metabolic independence).
Abgesehen davon wünsche ich euch eine tolle Woche und bis zum nächsten Mal.