Het evolutionaire nut van mobiliteit

Onderzoekers van AMOLF en Harvard University (USA) hebben een nieuw mechanisme ontdekt dat een verklaring biedt voor de coëxistentie van soorten. In Nature beschrijven ze vandaag hoe de competitie tussen ‘bewegers’ en ‘groeiers’ tot een evenwicht leidt waarbij beide typen bacteriën naast elkaar voortbestaan.

Bedreigingen van onze ecosystemen zijn maar al te bekend: opwarming van de aarde, bosbranden, de stikstofcrisis, afname van biodiversiteit, en zelfs het massaal uitsterven van soorten. Maar wat maakt ecosystemen eigenlijk stabiel of kwetsbaar? Waarom is er niet een soort die alle andere verdrijft?

Al sinds Darwin zijn biologen gefascineerd door deze vragen. We weten dat voedselketens en samenwerking cruciaal zijn, omdat soorten dan afhankelijk zijn van elkaar om te overleven. Maar nu hebben AMOLF-groepsleiders Sander Tans en Tom Shimizu, samen met onderzoekers van Harvard, een verrassende bevinding gedaan: ook het actief bewegen van organismen kan biodiversiteit vergroten en ecosystemen stabiliseren – ook zonder voedselketens of samenwerking.

Vertraagde film van bewegende E. coli cell. Credits: AMOLF.

“Beweging is fundamenteel voor alle organismen – zelfs planten bewegen door de verspreiding van zaden”, zegt Sander Tans. “Bacteriën bewegen ook actief door de ruimte. Onze experimenten laten zien hoe deze beweging verschillende bacteriële stammen bij elkaar houden in een grotere populatie. De mogelijke rol van beweging in de coexistentie van soorten is al veel onderzocht, maar experimenten die andere verklaringen kunnen uitsluiten ontbraken nog. ”

De coëxistentie paradox
Om bacteriesoorten te vinden die samen een eenvoudig stabiel ecosysteem zouden kunnen vormen, nam promovendus Sebastian Gude twee soorten uit de darm van hetzelfde dier. Als beiden daar kunnen overleven, zouden ze dat misschien ook doen in zijn experimenten. Om hun competitie te kunnen volgen kleurde Gude de ene soort bacteriën blauw en de andere soort rood. In het begin leek het mis te gaan, want de blauwe soort verloor altijd als de onderzoeker ze samen liet groeien. Deze ‘verliezers’ produceerden minder nakomelingen dan de rode ‘winnaars’ en werden binnen een paar weken uit de populatie verdreven.

Zeldzaam geworden bacteriële stam (blauw) hersteld in competitie met dominante stam (rood) voor suikers in gel (groen). Credits: AMOLF.

Dat veranderde toen Gude een gel maakte van het suikerwater waar de bacteriën, in een petrischaaltje, op groeidenWanneer de blauwe ‘verliezers’ zeldzaam werden, gingen ze zich nu juist sneller vermenigvuldigen, en wonnen zo op de roden. Maar ook de rode soort bleek zich meer te vermenigvuldigen als ze zeldzaam werden. Beide stammen lieten zich dus niet verdringen, en bleven stabiel naast elkaar bestaan. Maar wat zorgt ervoor dat verliezers die bijna uitsterven opeens beginnen te winnen?

Om deze paradox op te lossen filmde Gude de competitie tussen de bacteriën onder de microscoop, en zoomde vervolgens uit om zo de hele populatie van miljarden bacteriën te kunnen zien. “De resultaten waren verbluffend”, zegt Tom Shimizu. “We zagen de populatie als een uitbreidende golf door de gel migreren. Aanvankelijk domineerde de roden, en zagen we bijna geen blauwen. Maar de rode opmars stopte plotseling – net toen de blauwen naar boven kwamen, helemaal aan de voorkant van de golf. Daarna was de golf puur blauw. De blauwen bleken zich te vermenigvuldigen in de diepere delen van de gel, zonder competitie van de roden die zo ver niet kwamen.”

Tactiek van de verschroeide aarde
Maar hoe konden de blauwen zich organiseren en de roden zo goed inperken? Scheiden ze gifstoffen uit zoals sommige bacteriën dat doen? De onderzoekers zagen hier een nieuw mechanisme aan het werk. De blauwgekleurde bacteriën bleken slechter in vermenigvuldigen – daarom verloren ze de directe competitie tegen rood. Maar ze compenseerden dit door sneller te kunnen migreren. Door de verder gelegen gebieden als eerste te bereiken, en de suikers daar helemaal op te maken, hadden de rode bacteriën er geen kans. Zo konden de blauwen de opmars van de roden stuitten, net zoals in een verschroeide aarde strategie.

Tans: “Sommige bacteriën waren goed in vermenigvuldigen, en andere in migratie. Om beiden goed te doen bleek niet mogelijk. Dit is ook wel logisch omdat deze activiteiten veel energie kosten. We zien wel vaker een specialisatie van taken, hoewel de gevolgen voor coëxistentie moeilijk direct te bewijzen zijn. Hier konden we de capaciteit tot migreren en vermenigvuldiging van de bacteriën genetisch manipuleren, en zo laten zien dat dit genoeg is voor de stabiele coëxistentie van de beide soorten. Directe afhankelijkheden zoals in voedselketens zijn dus niet per se nodig.”

Ecologische verstoringen
Bacteriën kunnen natuurlijk niet altijd wachten tot iemand een toetje te lang buiten de koelkast laat staan. Gelukkig voor hen is dat ook niet nodig, omdat verse voedingsstoffen zich vaker voordoen dan je zou denken. Denk aan rottende appels en ontbindende organismen voor bodembacteriën, de lunch die je net had voor darmbacteriën, of de verbrande grond na een bosbrand voor een nieuwe generatie planten en bomen. Shimizu: “We hebben een migratie-proliferatie mechanisme laten zien met behulp van bacteriën. Dit is enigszins vergelijkbaar met modellen van plantenecologie, waarbij planten die snel groeien concurreren met planten die zaden beter verspreiden. Er zijn nu enorm veel nieuwe mogelijkheden. Neem bijvoorbeeld de diversiteit van darmbacteriën, die nu met DNA-analyse in kaart wordt gebracht. Je kunt nu bijvoorbeeld gaan kijken naar beweeglijkheidsgenen en hun ruimtelijke verdeling in de darm.”

Referentie
Sebastian Gude, Erçağ Pinçe, Katja M. Taute, Anne-Bart Seinen, Thomas S. Shimizu, and Sander J. Tans, Bacterial coexistence driven by motility and spatial competition,  Nature (2020), DOI : 10.1038/s41586-020-2033-2