Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

Seit Jahrzehnten debattieren Ökologen über eine einfache, aber hartnäckige Frage: Macht eine größere Vielfalt an Lebensformen eine natürliche Gemeinschaft stärker oder macht sie sie fragiler? Auf der einen Seite legt die Vorstellung, dass Diversität als Sicherheitsnetz fungiert, nahe, dass bei Vorhandensein vieler Arten der Verlust oder das Schwanken einer einzelnen durch die anderen aufgefangen werden kann, was das gesamte System stabil hält. Auf der anderen Seite legen mathematische Theorien nahe, dass eine Gemeinschaft mit zunehmender Komplexität und mehr Verbindungen zwischen den Arten zu einem verworrenen Netz wird, das leichter aus dem Gleichgewicht zu bringen ist. Beobachtungen in der realen Welt haben Antworten für beide Seiten geliefert, was Wissenschaftler ohne eine klare Regel zurückließ, wann mehr Vielfalt hilft und wann sie schadet. Das fehlende Puzzleteil war das Verständnis dafür, dass die Umwelt selbst die Regeln des Spiels verändern kann, indem sie eine stabile Gemeinschaft in eine chaotische verwandelt oder umgekehrt, abhängig von den Bedingungen.

Ein Forscher am Shenzhen Bay Laboratory setzte sich zum Ziel, diese Idee zu testen, indem er beobachtete, wie sich bakterielle Gemeinschaften unter verschiedenen Temperaturen und Verdünnungsraten verhalten. Er betrachtete nicht wilde Wälder oder Ozeane, sondern sorgfältig zusammengestellte Bakteriengruppen in einer Laborumgebung. Indem er diese Gemeinschaften in einer nährstoffreichen Flüssigkeit züchtete und sie dann täglich verdünnte – im Wesentlichen eine winzige Probe entnahm und frisches Futter hinzufügte – konnte er beobachten, wie die Populationen wuchsen, einbrachen und sich über viele Generationen hinweg erholten. Er testete diese Gemeinschaften über einen weiten Temperaturbereich, von kühlen zehn Grad Celsius bis hin zu glühend heißen fünfzig Grad, und variierte zudem, wie stark er die Kulturen täglich verdünnte. Sein Ziel war es zu sehen, ob die Beziehung zwischen der Anzahl der vorhandenen Arten und den Schwankungen der Populationszahlen je nach Umgebung variiert.

Er fand heraus, dass die Beziehung zwischen Diversität und Stabilität nicht feststeht; sie hängt vollständig von den Bedingungen ab. Im mittleren Temperaturbereich, etwa zwischen zwanzig und dreißig Grad Celsius, verhielten sich die Gemeinschaften auf eine ganz bestimmte Weise. Hier lebten viele verschiedene Arten zusammen und fluktuierten synchron. Wenn die Populationszahlen schwankten, taten sie dies gemeinsam über viele verschiedene Arten von Bakterien hinweg. In diesem Szenario wurde die Gemeinschaft mit zunehmender Diversität instabiler. Der Forscher beobachtete, dass unter diesen Bedingungen die am stärksten vertretenen Arten im Laufe der Zeit wechselten, wobei unterschiedliche Bakterien an verschiedenen Tagen die Führung übernahmen. Dies deutet darauf darauf hin, dass das komplexe Geflecht der Interaktionen zwischen vielen Arten die Instabilität vorantrieb und so eine positive Verbindung schuf, bei der mehr Vielfalt mehr Bewegung bedeutete.

Als sich die Temperatur jedoch zu den Extremen verschob, änderte sich die Geschichte komplett. Bei vierzig Grad wurde die Umgebung hart genug, dass nur wenige robuste Arten überleben konnten. In diesen Gemeinschaften wurde die Instabilität nicht durch ein komplexes Beziehungsgeflecht verursacht. Stattdessen wurde sie durch nur eine oder wenige dominante Arten angetrieben, die für sich allein boomten und dann einbrachen. Diese Abstürze einzelner Arten passierten, weil die Bakterien so schnell wuchsen, dass sie ihre eigene Umgebung veränderten, insbesondere durch die Veränderung des Säuregehalts der Flüssigkeit, was sie schließlich abtötete. In diesem Hochtemperaturregime führte eine höhere Artenzahl nicht dazu, dass die Gemeinschaft instabiler wurde, noch machte eine geringere Artenzahl sie stabiler. Die Verbindung zwischen Diversität und Instabilität verschwand einfach. Die Fluktuationen wurden durch die physischen Grenzen der Umgebung und das Verhalten eines einzelnen dominanten Akteurs verursacht, nicht durch die Anzahl der Akteure im Spiel.

Der Forscher testete auch, was geschah, wenn er die Verdünnung der Kulturen änderte, während er die Temperatur konstant hielt. Er fand heraus, dass dies ebenfalls die Gemeinschaft von einer Art von Verhalten zur anderen verschieben konnte. Wenn die Verdünnung schwach war, was mehr Bakterien ermöglichte, von einem Tag zum nächsten zu überleben, zeigten die Gemeinschaften sowohl kollektive Fluktuationen als auch Fluktuationen dominanter Arten, wobei letztere unter diesen Bedingungen häufiger auftraten. Bei starker Verdünnung, die den Großteil der Population jeden Tag wegspülte, zeigten die Gemeinschaften insgesamt geringere Schwankungen. Dies bestätigte, dass die Umwelt der Schalter war, der bestimmte, welche Regel Anwendung fand.

Um zu verstehen, warum dies geschah, untersuchte der Forscher genau, wie einzelne Bakterien auf ihre eigenen Abfallprodukte reagierten. Er entdeckte, dass Bakterien, während sie wuchsen, ihren pH-Wert veränderten und die Umgebung entweder zu sauer oder zu alkalisch machten. Bei höheren Temperaturen geschah diese Veränderung schneller und war tödlicher. Eine Population konnte in einem einzigen Tag riesig werden, nur um dann dramatisch einzubrechen, weil die Umgebung toxisch wurde. Dieser Zyklus aus schnellem Wachstum gefolgt von ökologischem Selbstmord erzeugte die wilden Schwankungen der Populationszahlen. In den moderaten Temperaturen konnten viele Arten diese Veränderungen tolerieren und koexistieren, was zu den kollektiven Fluktuationen führte. In den härteren Temperaturen überlebten nur die zähesten Arten, und ihr eigenes Wachstum wurde zur Ursache ihrer Instabilität.

Der Forscher nutzte Computersimulationen, um zu bestätigen, dass dieser Mechanismus ausreichte, um die Ergebnisse zu erklären. Durch den Aufbau eines Modells, in dem Bakterien um Nahrung konkurrierten und den pH-Wert ihres gemeinsamen Zuhauses veränderten, konnte der Forscher sowohl die stabilen Gemeinschaften als auch die kollektiven Fluktuationen und die Abstürze einzelner Arten reproduzieren. Das Modell zeigte, dass das System, wenn das Wachstum schnell war und sich die Umgebung rasch veränderte, natürlich in eines von zwei Mustern fiel: Entweder fluktuierten viele Arten gemeinsam und erzeugten so eine Verbindung zwischen Diversität und Instabilität, oder eine einzelne Art dominierte und brach für sich allein ein, wodurch diese Verbindung unterbrochen wurde.

Diese Arbeit legt nahe, dass die langjährige Debatte darüber, ob Diversität die Natur stabilisiert oder destabilisiert, den Kontext vernachlässigt haben könnte. Die Antwort ist keine einzige universelle Regel. Stattdessen hängt die Beziehung zwischen der Anzahl der vorhandenen Arten und der Stabilität einer Gemeinschaft von der Umgebung ab. Unter bestimmten Bedingungen treibt Diversität die Instabilität voran, weil viele Arten miteinander interagieren und aufeinander reagieren. Unter anderen Bedingungen wird die Instabilität durch die Umwelt selbst verursacht, und die Diversität spielt keine Rolle. Der Forscher zeigte, dass man durch die Änderung der Temperatur oder der Verdünnungsrate den Schalter zwischen diesen beiden Welten umlegen kann. Dies bedeutet, dass wir, um zu verstehen, warum eine Gemeinschaft stabil oder instabil ist, nicht nur darauf schauen dürfen, wie viele Arten vorhanden sind, sondern auf die spezifischen Bedingungen, die das Wachstum und Sterben dieser Arten prägen. Die Regeln des Spiels ändern sich mit dem Wetter, und die Stabilität des Lebens hängt davon ab, welcher Satz von Regeln gerade in Kraft ist.