Research Blogging - Ecology / Conservation - German

Klimafolgen: unfruchtbarer Boden und veränderter Nährstoffkreislauf

2012-05-25T17:05:03Z

Bodenlebewesen, Pflanzen und Insekten: Ihr Zusammenspiel wird durch den Einfluss des Klimawandels erheblich gestört. Dies ist das Ergebnis einer Studie aus dem wissenschaftlichen Fachblatt Nature Climate Change....

Stevnbak, K., Scherber, C., Gladbach, D., Beier, C., Mikkelsen, T., & Christensen, S. (2012) Interactions between above- and belowground organisms modified in climate change experiments. Nature Climate Change. DOI: 10.1038/nclimate1544

Klimawirksamkeit tierischer Lebensmittel

2012-05-24T11:10:00Z

Auch die Erzeugung tierischer Produkte verursacht erhebliche Mengen an Treibhausgasen. In der Regel bedeutend mehr, als das bei pflanzlichen Lebensmitteln der Fall ist. Dies geht aus einer Studie hervor, die jüngst in dem wissenschaftlichen Fachmagazin The International Journal of Life Cycle Assessment publiziert wurde....

Schmidinger, K., & Stehfest, E. (2012) Including CO2 implications of land occupation in LCAs—method and example for livestock products. The International Journal of Life Cycle Assessment. DOI: 10.1007/s11367-012-0434-7

Atomenergie: Alle 20 Jahre ein GAU

2012-05-23T13:42:20Z

Kernschmelzen sind weitaus wahrscheinlicher als bisher angenommen. Das jedenfalls besagt eine Studie einer Forschergruppe des Max-Planck-Instituts für Chemie. Zwar halbiere Deutschland das atomare Risiko voraussichtlich mit dem Ausstieg aus der Kernenergie....

Lelieveld, J., Kunkel, D., & Lawrence, M. (2012) Global risk of radioactive fallout after major nuclear reactor accidents. Atmospheric Chemistry and Physics, 12(9), 4245-4258. DOI: 10.5194/acp-12-4245-2012

Pflanzenvielfalt steigert Erträge

2012-05-22T01:46:18Z

Keine Pflanzenart ist überflüssig: Je größer die Artenvielfalt, desto höher fallen die langfristigen Erträge aus....

Reich PB, Tilman D, Isbell F, Mueller K, Hobbie SE, Flynn DF, & Eisenhauer N. (2012) Impacts of biodiversity loss escalate through time as redundancy fades. Science (New York, N.Y.), 336(6081), 589-92. PMID: 22556253

Durstiger Wein

2012-05-18T23:54:00Z

Betörend und berauschend soll er sein. Was vielen jedoch nicht schmecken dürfte, sind die negativen Folgen, welche mit dem Weinanbau einhergehen können....

Grantham, T., Newburn, D., McCarthy, M., & Merenlender, A. (2012) The Role of Streamflow and Land Use in Limiting Oversummer Survival of Juvenile Steelhead in California Streams. Transactions of the American Fisheries Society, 141(3), 585-598. DOI: 10.1080/00028487.2012.683472

Nanopartikel können Schwangerschaft beeinflussen

2012-05-16T23:59:00Z

In Versuchen mit schwangeren Mäusen wiesen Wissenschaftler Nanopartikel in deren Plazenta sowie in der Leber und im Gehirn der Föten nach. Davon berichten sie in dem wissenschaftlichen Fachmagazin Nature Nanotechnology. ...

Yamashita K, Yoshioka Y, Higashisaka K, Mimura K, Morishita Y, Nozaki M, Yoshida T, Ogura T, Nabeshi H, Nagano K.... (2011) Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice. Nature nanotechnology, 6(5), 321-8. PMID: 21460826

Reißt der Wolf Schafe?

2012-05-13T11:36:00Z

Ihre Rückkehr sorgt für Diskussionen in Deutschland. Von Wölfen, die Haustiere zerfleischen oder sogar Menschen anfallen, ist die Rede. Etwa zehn Jahre nach dem Erscheinen der Raubtiere liefert eine Studie aus dem wissenschaftlichen Fachmagazin Mammalian Biology Ergebnisse zu den Fressgewohnheiten der Wölfe....

Wagner, Carina, Maika Holzapfel, Gesa Kluth, Ilka Reinhardt . (2012) Wolf (Canis lupus) feeding habits during the first eight years of its occurrence in Germany. Mammalian Biology – Zeitschrift für Säugetierkunde, 77(3), 196-203. info:/10.1016/j.mambio.2011.12.004

Marktradikale Pilze: Occupy Waldboden

2011-11-13T11:23:15Z

Zur Zeit stecke ich in der Uni in meinem Modul über Mykologie, also über die Wissenschaft von den Pilzen. Und erfreulicherweise kann ich damit mein Botanik-Pflichtmodul abhandeln, obwohl mittlerweile bekannt ist, dass Pilze evolutionär näher mit Tieren als mit Pflanzen verwandt sind (manchmal profitiert man davon, dass Traditionen auch in der Wissenschaft nur langsam aussterben). Im Rahmen des Moduls muss ich irgendwann auch einen Seminar-Vortrag über mutualistische Symbiosen, also jene Symbiose-Beziehungen in denen beide Partner davon profitieren, von Pflanzen und Pilzen halten. Die bekanntesten Pflanzen-Pilz-Mutualismen dürften dabei wohl die Flechten und die Mykorrhiza-Pilze sein. Die Flechten sind mutualistische Organismen die aus der Kombination von Pilzen und Grünalgen und/oder Cyanobakterien bestehen. Der Pilz profitiert von der Photosynthese-Leistung seines Partners, während die pflanzlichen Partner vor allem davon profitiert, dass er vor zu schnellem austrocknen geschützt ist. Die Mykorrhiza-Pilze gehen ihre Symbiose mit Pflanzen ein. Man schätzt das gut 80 % der Gefäßpflanzen in einer solchen Symbiose leben. Bei dieser Form der Symbiose besetzen die Pilze das Wurzelsystem und tauschen dort Nährstoffe mit ihren Wirtspflanzen aus. Die Pilze können dabei unter anderem Stickstoff und Phosphat aus dem Boden aufnehmen und an die Pflanze weitergeben, währen die Pflanze den aus der Photosynthese gebundenen Kohlenstoff weitergeben kann. Darüber hinaus gibt es auch gute Hinweise darauf, dass die Pilze auch in der Abwehr von Pflanzenfressern, welche ihren Wirt bedrohen könnten, nützlich sein können. In wie weit solche Mykorrhiza-Pilze als Parasiten oder positive Symbiose-Partner funktionieren ist dabei allerdings von vielen Faktoren abhängig. Unter anderem davon welche Art von Pilz es ist, welche Art von Wirtspflanze es ist, welche Art von Pflanzenfresser die Wirtspflanze bedroht, welche anderen Mykorrhiza-Pilze an dem gleichen Wirt zu finden sind, wie die Nährstoff-Bedingungen in dem Boden sind und natürlich dürfen auch die Gene hier nicht fehlen, denn Wirt und Pilz können inkompatibel sein. Und so verwundert es einen dann auch nicht mehr, dass die möglichen Beziehungen von Mykorrhiza-Pilzen zu ihren Wirtspflanzen ihre Hochs und Tiefs haben und von beiderseitigem Vorteil bis zu Parasitismus reichen können. Damit reicht es auf jeden Fall für ein “It's complicated” bei Facebook. Aber gerade die Mutualismen sind es, die aus evolutionärer und spieltheoretischer Sicht eine gute Erklärung benötigen. Denn oft findet man bei Mutualismen, dass ein Partner den anderen mehr oder weniger „versklavt“ bzw. überproportional von der Beziehung profitiert und daher seinen Partner lenken kann bzw. muss. Bei den Flechten ist es beispielsweise so, dass der Pilz extrem stark von seinem „Partner“ profitiert, da der Pilz selbst meist nicht einmal mehr alleine lebensfähig ist, während dies andersherum für die Algen/Bakterien meist kein Problem ist. Dementsprechend wirkt der Pilz extrem stark auf seinen Photosynthese-Freund ein. Die Frage wieso man eine Erklärung für dieses Verhalten braucht und auch die Frage nach den Symbiosen der Mykorrhiza-Pilze lässt sich mit dem Gefangenendilemma ganz anschaulich darstellen. Über das iterierte Gefangenendilemma hatte ich vor einiger Zeit bereits etwas geschrieben. Aber zur Auffrischung noch einmal das Grundproblem: Alice und Bob haben zusammen eine Bank überfallen und werden danach von der Polizei aufgeschnappt. Allerdings reichen die Beweise nicht aus um die beiden für den Bankraub zu verurteilen. Wenn also beide schweigen, dann kommen sie davon bzw. bekommen nur eine kleine Strafe (für zu schnelles Fahren bei der Flucht/unerlaubter Waffenbesitz/was man halt so in Verbindung mit einem Bankraub noch für Verbrechen begehen könnte). Die Verurteilung für den Bankraub klappt nur, wenn mindestens einer der beiden eine Aussage macht und den anderen belastet. Wenn nur einer der beiden eine Aussage macht, dann kommt derjenige der geplaudert hat straffrei davon, der andere sitzt eine volle Strafe ab. Machen jedoch beide eine Aussage, dann müssen auch beide ins Gefängnis und ihre Strafe absitzen (die jedoch pro Nase geringer ist als die Strafe die man absitzen muss, wenn man von dem Anderen verpfiffen wird). Alice und Bob werden getrennt voneinander verhört und haben keine Möglichkeit zu erfahren ob der jeweils andere ihn verraten hat oder nicht. Um das ganze anschaulicher zu machen schauen wir uns die Tabelle oben mal an. Wichtig: Die Zahlen sollen hier keine Haftstrafen darstellen sondern einen zu erwartenden Gewinn. Also: Je größer die Zahl, desto besser für den Spieler. Der zu erwartende Gewinn für Alice ist in Grün dargestellt, der zu erwartende Gewinn für Bob in Rot. Wie sollten sich jetzt also beide Spieler verhalten, um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen? Wenn wir uns die Tabelle so anschauen, dann könnte man meinen, dass das beste Ergebnis die beiderseitige Kooperation ist, immerhin gibt es da insgesamt 6 Punkte zu gewinnen. Aber schauen wir uns doch einmal an, was für jeden Spieler die Beste Option ist: Wenn Bob kooperiert, dann ist es für Alice das beste Bob zu verraten, da sie dort 5 anstatt 3 Punkte bekommt (straffrei ausgeht anstatt für kleinere Verbrechen bestraft zu werden). Falls Bob sie verrät, dann sollte sie ihn auch verraten, denn dann bekommt sie 1 statt 0 Punkte (sie bekommt eine kleinere Strafe anstatt alleine die volle Strafe). Und analog funktioniert das auch für Bob, der sich die gleichen Gedanken macht. Damit endet man, zumindest wenn man von rational denkenden Spielern und nur einer Spielrunde ausgeht, dabei, dass beide Spieler einander verraten. Da gegenseitiger Verrat die einzige stabile Strategie ist, kommt es nicht zu der global optimalen Lösung: Der Kooperation. Dieser Fall, in dem kein Spieler etwas dadurch gewinnen kann, dass er seine Strategie alleine ändert, wird – nach ihrem Entdecker John Nash – das Nash-Gleichgewicht genannt. Was das ganze jetzt mit den Mutualismen von Pflanzen und Pilzen zu tun hat? Ersetzen wir doch einfach mal Alice durch Pflanze und Bob durch Pilz. Eine Pflanze hätte genauso einen Vorteil, wenn sie ihren Pilz-Partner verrät. Sie bekommt Phosphat von dem Pilz, muss aber keinen Zucker teilen. Und wenn der Pilz seine Kooperation einstellt, dann wäre es erst recht die beste Option den Zucker-Transport zum Pilz einzustellen. Und andersrum ist es genauso für den Pilz: Ohne Gegenleistung den Zucker bekommen ist besser als die eigenen Ressourcen zu teilen, und wenn der Pflanzen-Partner nicht teilt, dann sollte man das selbst auch nicht tun. Eine mathematische Umsetzung des Nash-Gleichgewichts für die Evolutionsbiologie hat John Maynard Smith in den 80er Jahren veröffentlicht. Sein Konzept sind die Evolutionary Stable Strategies, welche Strategien beschreibt welche, wenn sie einmal in einer Population von Individuen fixiert sind, nicht durch andere Strategien verdrängt werden können. Einer Theorie wieso sich der Mutualismus von Mykorrhiza-Pilzen und Pflanzen dann seit Millionen von Jahren halten kann ist E. Toby Kiers mit seinen Kollegen auf den Grund gegangen. Üblicherweise findet man nämlich, dass Pflanzen mehr als einen Mykorrhiza-Pilz als Symbiose-Partner haben, genauso wie die Pilze ihrerseits Verbindungen zu mehr als einer Pflanze aufrecht erhalten können. Ihre Theorie ist, dass es eine Art freien Markt gibt, über den die Rohstoffe zwischen den verschiedenen Pilzen und Pflanzen getauscht werden können. Und auf diesem Markt tauscht man seine Waren dann mit jenen Partnern, die einem die besten Konditionen bieten. Um zu testen ob dieser freie Markt für Pilz und Pflanze funktioniert, oder ob hier doch wieder die 99 % leiden müssen, haben sie sich auch ein Experiment überlegt....

John Maynard Smith. (1982) Evolution and the Theory of Games. Cambridge University Press. info:/

Kiers, E., Duhamel, M., Beesetty, Y., Mensah, J., Franken, O., Verbruggen, E., Fellbaum, C., Kowalchuk, G., Hart, M., Bago, A.... (2011) Reciprocal Rewards Stabilize Cooperation in the Mycorrhizal Symbiosis. Science, 333(6044), 880-882. DOI: 10.1126/science.1208473

Nash, J. (1950) Equilibrium points in n-person games. Proceedings of the National Academy of Sciences, 36(1), 48-49. DOI: 10.1073/pnas.36.1.48

Die komplizierte Geschichte des Großen Sterbens

2011-09-25T09:30:29Z

Die rätselhaftesten Episoden in der Geschichte des Lebens sind die Massensterben, die den Planeten in regelmäßigen Abständen heimgesucht haben. Das größte derartige Ereignis fand vor 251 Millionen Jahren statt, und seine Ausmaße waren kataklysmisch: Über 90 Prozent allen Meereslebens starb aus und mit ihm ein kaum geringerer Anteil aller Lebewesen an Land. Paläontologen nennen diese Episode das Große Sterben. Doch es gibt keine geologisch einzigartige Katastrophe, die diesen globalen Untergang zu jener Zeit schlüssig erklären könnte - die fossilen Hinterlassenschaften zeigen eine erstaunlich komplexe ökologische Krise am Übergang vom Perm zur Trias. Mit Hilfe der geologischen Spuren können wir nun ein ungefähres Bild dessen zeichnen, was damals auf der Erde geschah. Wir wissen zum Beispiel, dass sich die Chemie der Ozeane drastisch verändert haben muss - wie sonst könnten die Lebensgemeinschaften in einem so diversen Lebensraum so gründlich ausgelöscht worden sein? Und vor allem, warum hat es geschlagene fünf Millionen Jahre gedauert, bis sich im Meer wieder etwas gerührt hat? Grenze zwischen permischen und trisaaischen Gesteinen in der Bletterbachschlucht. Quelle: Bosellini 1998 via Uni Bremen 2011 ist das Jahr, in dem wir schließlich einige Antworten bekommen, zuerst einmal aus den Sedimenten aus jener Zeit, die unter anderem in den Alpen und Südchina aufgeschlossen sind. In der Ära der Krise waren große Teile der Weltmeere praktisch frei von Sauerstoff, vergleichbar den Todeszonen, die in modernen Küstengewässern zeitweilig durch Überdüngung entstehen. Die chinesischen Gesteine zeigen, dass die Ursache zur Zeit des Massensterbens eine sehr ähnliche war, denn die biologische Produktivität der Meere war eben nicht reduziert. Ozeane: Tot aber produktiv Die Überreste des Mereresbodens aus der Zeit der Permischen Katastrophe zeigen nämlich eine sehr charakteristische Signatur, sie enthalten deutlich mehr Kohlenstoff-12 im Vergleich zu Kohlenstoff-13 als moderne Sedimente. Und es gibt vor allem einen bedeutenden Prozess, der das erreichen kann: Leben. Bei der Photosynthese bauen grüne Pflanzen Kohlendioxid in organische Materie um, und zwar solchen mit leichtem Kohlenstoff schneller als solchen mit schwerem. Deswegen enthält biologisches Material immer einen deutlichen Überschuss an leichtem Kohlenstoff[1]. Das Bild, dass die fossilen Überreste für die Meere des Massensterbens zeichnen ist auf den ersten Blick ein wenig paradox: Wir haben einen Weltozean, der weitgehend frei von Sauerstoff und entsprechend biologisch tot ist, dessen Produktivität die modernen Ozeane jedoch bei weitem übertraf. Statt also auf breiter Front zu veröden, wie sich das für ein anständiges Massensterben gehört, hat die biologische Aktivität im Meer in den fünf Millionen Jahren nach dem Untergang enorm zugenommen - aber wiederum ohne dass man eine Rückkehr klassischer mariner Ökosysteme sehen könnte. Auch an Land spielte sich Dramatisches ab: Die Koniferenwälder des Perm und ihre Synapsiden verschwanden, dafür übernahmen nach einer kurzen Unterbrechung Farne und die Vorfahren der Dinosaurier die Regie. Es gab aber keinen globalen Feuerbrand, der da allem, was da kreucht und fleucht aufs Haupt gefallen wäre. Tot sind sie trotzdem. Pilz-Apokalypse in den Koniferenwäldern Nun gehört es zu den goldenen Regeln der Fossilkunde, dass Dinge an Land nur äußerst selten versteinern, man braucht dazu Wasser, in dem sich Schicht um Schicht Schlick ablagern kann. Zum Glück landet bekanntlich alles, was so von der Plastiktüte bis zum Castor-Behälter an Land rumliegt, früher oder später im Meer. Das war auch vor 250 Millionen Jahren nicht anders, nur dass es damals noch keine Plastiktüten waren, sondern seltsame fadenartige Strukturen, die sich weltweit in diesen Gesteinen erhalten haben, unter anderem in den Alpen. Man nennt diese Strukturen Reduviasporoniten, sie sind fädige, verzweigte Strukturen, offensichtlich aus Zellen aufgebaut. Melanin färbt sie dunkel, und sie kommen in Gesteinen am Übergang vom Perm zur Trias erstaunlich häufig vor, sie machen teilweise bis zu 90 Prozent der Biomasse aus. Reduviasporoniten. Quelle: Image courtesy of Imperial College London Was diese Dinger genau sind weiß niemand. Es können Algen oder Pilze gewesen sein, aber ihre schiere Masse zeigt, dass an der Grenze zwischen Perm und Trias etwas sehr seltsames passiert ist. Meine Lieblingshypothese stammt aus einem neueren Geology-Paper, dessen Autoren feststellen, dass die Mikrofossilien in einigen Punkten den modernen Rhizoctonien ähneln. Die sehen den Fossilien ziemlich ähnlich, bis hin zur Gestalt der Zellen, und sie bilden spezifische Sklerotien, eine Dauerform zum Überstehen widriger Umstände, die man fast genau so auch zwischen den Fossilien entdeckt. Das Interessante daran ist, dass Rhizoctonien bekannte Pflanzenpathogene sind, und zwar oft ziemlich aggressive. Es gibt eine direkte Beziehung zwischen der Anzahl-Rhizoctonia-Sklerotien in einem Boden und der lokalen Prävalenz von Pflanzenkrankheiten. Aus diesen Indizien zeichnen die beteiligten Forscher das Bild einer wahren Pilzapokalypse, die Koniferen des späten Perm hereingebrochen ist. Man muss sich das wahrscheinlich nicht so vorstellen, dass die Pilze plötzlich aus einer dunklen Höhle hervorgebrochen sind und alle Bäume vernichtet haben. Es ist viel plausibler, dass sie auch vorher schon da waren. Auch heute leben ähnliche Arten mit und an gesunden Bäumen, deren Immunsystem sie in Schach hält wie unsere eigene Bakterienflora, zu der auch unter normalen Umständen so unerfreuliche Vertreter wie Staphylococcus Aureus gehören. Sie warten. Und das, worauf sie gewartet haben, ist vor 250 Millionen Jahren dann passiert, weltweit und in ganz großem Stil. Lavastrom der Sibirischen Trapps. Quelle: Nature Natürlich haben Wissenschaftler längst den wahrscheinlichen Auslöser dieses ökologischen Weltkollaps auf dem Schirm. Die Ursache war, da zeichnet sich ein Konsens ab, ein gigantischer Vulkanausbruch, der über eine Million Jahre hinweg Lava über das heutige Zentralsibirien ergoss. Vulkane stoßen aber, und das ist der entscheidende Punkt, auch Gase aus, und derart extreme Mengen, wie sie bei der Entstehung solcher Trapps freiwerden, verändern die Atmosphäre nachhaltig und letal. Bis heute bedecken dort mehrere hundert Meter dicke Lavaströme ein Gebiet so groß wie Europa, aber zur Zeit ihrer Entstehung dürften die Sibirischen Trapps, wie die Überreste der Eruptionsmassen heute genannt werden, mehr als die vierfache Fläche überdeckt haben. Der Täter: Ein Vulkan wie kein anderer Das ist schon ziemlich beeindruckend, aber in der Erdgeschichte bei weitem nicht einzigartig. Weltweit sind über ein Dutzend dieser Lavaprovinzen bekannt, sie liegen in Indien, dem Ostpazifik, Afrika und anderswo. Viele dieser Mega-Vulkanausbrüche treffen zeitlich mit globalen Massensterben zusammen, das Ausmaß der Apokalypse ist im Fall der Sibirischen Trapps allerdings einzigartig. Einzigartig ist auch der Ablauf der Ereignisse, denn es hat sich erwiesen, dass es keineswegs der eigentliche Lavaschub war, der das Unglück über die Welt gebracht hat. Das große Sterben war kein Einzelereignis, sondern eine Abfolge von mindestens drei kleineren Massenaussterben, von denen nur das letzte mit den Flutbasalten zusammenfiel. Die anderen beiden fanden - zumindest nach einigen Analysen - 10 und 20 Millionen Jahre früher statt. Für so einen Mantelhotspot sind ein paar Millionen Jahre natürlich keine allzu lange Zeitspanne, schließlich gibt es den Jan-Mayen-Hotspot, der das Massensterben ausgelöst hat, bis heute. Wieso allerdings das Massen...

Sobolev, S., Sobolev, A., Kuzmin, D., Krivolutskaya, N., Petrunin, A., Arndt, N., Radko, V., & Vasiliev, Y. (2011) Linking mantle plumes, large igneous provinces and environmental catastrophes. Nature, 477(7364), 312-316. DOI: 10.1038/nature10385

Visscher, H., Sephton, M., & Looy, C. (2011) Fungal virulence at the time of the end-Permian biosphere crisis?. Geology, 39(9), 883-886. DOI: 10.1130/G32178.1

Meyer, K., Yu, M., Jost, A., Kelley, B., & Payne, J. (2011) δ13C evidence that high primary productivity delayed recovery from end-Permian mass extinction. Earth and Planetary Science Letters, 302(3-4), 378-384. DOI: 10.1016/j.epsl.2010.12.033

Fördern minimale Antibiotika-Rückstände in der Umwelt Resistenzen?

2011-07-23T06:50:00Z

Es ist unvermeidlich, dass man bei einer Antibiotika-Therapie einen Teil der eingenommenen Substanz unverändert wieder ausscheidet. Man geht eigentlich davon aus, dass diese Stoffe im Abwasser zu stark verdünnt werden, um in der Umwelt resistente Bakterienpopulationen heranzuzüchten. So ganz sicher können wir uns dessen aber nicht sein, im Gegenteil. In den letzten Jahren verdichteten sich die Hinweise, dass schon sehr geringe Mengen dieser Stoffe einen Effekt auf die Mikrobenflora verschiedener Ökosysteme haben. In Deutschland ist das Problem seit Anfang der 90er Jahre bekannt, als man erstmals Antibiotikarückstände in Oberflächengewässern fand. Die wichtigste Quelle für diese Verunreinigungen sind kommunale Abwässer, die zwischen einigen Dutzend Nanogramm und einigen Mikrogramm Antibiotika pro Liter enthalten können. Die Werte schwanken sehr stark, einerseits wegen der eingesetzten Mengen, andererseits aber auch wegen der chemischen Eigenschaften der verschiedenen Verbindungen: Während die klassischen Beta-Lactame chemisch zu instabil sind, um lange im Wasserkreislauf zu überleben, fanden Hirsch et al. 1999 sechs Mikrogramm Erythromycin in deutschem Abwasser. Diese Werte liegen größenordnungsmäßig etwa das Hundert- bis Hunderttausendfache unter den experimentell bestimmten Minimalen Hemmkonzentrationen, bei denen die Antibiotika das Wachstum von Bakterien in Kultur sichtbar behindern. Die Konzentrationen in Oberflächengewässern sind noch mal ein ganzes Stück niedriger, viel zu gering um Bakterien zu töten. Resistenz ist Ballast - aber wie sehr? In natürlichen Populationen existieren immer ein paar resistente Bakterien innerhalb der gesamten Population, deswegen sind Antibiotika in der Umwelt grundsätzlich ein Problem. Allerdings ist ein Resistenzgen in fast allen Fällen erst einmal nur Ballast für den Organismus, so dass der Schutzeffekt diese Kosten aufwiegen muss. Bisherige pharmakodynamische Modelle gehen davon aus, dass Resistenzgene bei Antibiotika-Konzentrationen unterhalb der Minimalen Hemmkonzentration ihre Kosten nicht wieder einspielen und sich deswegen nicht in Populationen ausbreiten. Das Problem dabei ist, dass die Minimale Hemmkonzentration ein extrem grobes Instrument ist, um Effekte auf Bakterien zu bestimmen. Man ermittelt diesen Wert, indem man Mikroben über Nacht bei verschiedenen Antibiotika-Konzentrationen wachsen lässt und anschließend guckt ob überhaupt etwas gewachsen ist. Die Situation in freier Wildbahn ist jedoch eine völlig andere. Bakterienpopulationen enthalten zahllose Individuen mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung, die alle nebeneinander wachsen, sich vermehren und um Ressourcen konkurrieren. Sobald ein Merkmal auch nur einen geringfügigen Vorteil gegenüber anderen Stämmen bietet, werden seine Träger etwas schneller wachsen, sich schneller wieder teilen und langfristig - das heißt über hunderte oder tausende Generationen - einen beträchtlichen Teil aller Individuen ausmachen. Das ist das eigentliche Problem bei den verschwindend geringen Antibiotika-Mengen in der Umwelt: Wir wissen nicht wirklich, ob sie eben nicht doch einen kleinen Effekt auf Bakterien haben, der womöglich groß genug ist, um das Gleichgewicht zwischen resistenten und nicht-resistenten Stämmen merklich zu verschieben. Unterschätzter Selektionsdruck Dafür wissen wir inzwischen, dass die Hypothese mit der Minimalen Hemmkonzentration schlicht nicht haltbar ist. Im März dieses Jahres haben Forscher einen einfachen Farbtest vorgestellt, der anzeigt, ob unter bestimmten Bedingungen resistente Bakterien schneller wachsen als nicht-resistente. Praktischerweise haben sie gleich den Nachweis mitgeliefert, dass das tatsächlich bei einigen Antibiotika noch bei Bruchteilen der Minimalen Hemmkonzentration der Fall ist. Bei Ciprofloxacin noch bei einem Fünfundsiebzigstel. Bis zu welchen Konzentrationen diese Effekte anhalten, wird derzeit erforscht. Gerade haben schwedische Mikrobiologen eine Veröffentlichung in PLoS Pathogens publiziert, die das ganze mal anhand von Salmonella enterica var. typhimurium durchexerziert. Die erste, inzwischen wenig überraschende Erkenntnis ist, dass Konzentrationen deutlich unterhalb der Minimalen Hemmkonzentration das Wachstum nicht-resistenter Bakterien deutlich bremsen, bei Tetrazyklin reduziert schon ein Dreißigstel der Konzentration die exponentielle Vermehrung um 15 Prozent. Das ist eine extrem drastische Reduktion der Fitness, die im klassischen Test nicht auffällt, aber in freier Wildbahn erhebliche Konsequenzen hat. Konkurrenztest mit verschiedenen Tetracyclin-Konzentrationen. Die ansteigenden Geraden zeigen einen wachstenden Anteil resistenter Bakterien an. Quelle: Gullberg E, et al. PLoS Pathogens, 10.1371/journal.ppat. 1002158, 2011 Wesentlich interessanter sind allerdings die direkten Konkurrenztests, die die Forscher durchgeführt haben. Man setzt einfach fluoreszenzmarkierte Bakterien eines resistenten und eines nicht-resistenten Stammes und eine Kulturschale und lässt sie unter Einfluss eines Antibiotikums gegeneinander wachsen. Mit einem automatischen Zählgerät haben die Forscher dann direkt ausgezählt, welcher der beiden Stämme im Verlauf der Zeit erfolgreicher war. Das kommt der realen Situation schon bedeutend näher, und auf diese Weise haben die Schweden für verschiedene Antibiotika ermittelt, ab welcher Konzentration die untersuchten Resistenzgene tatsächlich einen Selektionsvorteil bringen. Diese Konzentrationen sind durchweg niedriger als die Minimale Hemmkonzentration, in einem Fall um den Faktor 230. Ich verzichte hier darauf, die Ergebnisse im einzelnen aufzuführen, das Paper ist frei zugänglich und lesenswert. Noch unerfreulicher ist das Ergebnis eines weiteren Versuchs, nämlich ob sich bei so niedrigen Antibiotika-Konzentrationen auch Resistenzen neu bilden und diese Stämme dauerhaft in der Population vertreten bleiben. Die Antwort ist ein ganz klares ja, und es ist nicht nur möglich, sondern unter den Bedingungen des Experiments quasi garantiert, dass Teile der Population widerstandsfähiger gegenüber dem Antibiotikum werden. Es ist auch keineswegs so, dass nur Mutanten auftauchen, die sich lediglich an die vorhandene niedrige Konzentration angepasst haben - auch der Anteil an deutlich widerstandsfähigeren Mutanten steigt im Laufe der Zeit an. Nicht nur der Anteil resistenter Stämme nimmt mit der Zeit zu, sondern auch die Resistenz selbst. Grüne Dreiecke zeigen die empfindlichsten, schwarze Quadrate die resistentesten Stämme. Quelle: Gullberg E, et al. PLoS Pathogens 10.1371/journal.ppat.1002158, 2011 In allen Experimenten gibt es allerdings auch eine Grenzkonzentration, unterhalb derer die nicht-resistenten Bakterien einen Selektionsvorteil haben, und diese Konzentration ist in fast allen Versuchen deutlich höher als solche, die man in der Umwelt findet. Insofern sollte man mit Schlussfolgerungen im Hinblick auf Resistenzen in natürlichen Umgebungen erst einmal vorsichtig sein. Es gibt allerdings Daten, die darauf hindeuten, dass diese Effekte sehr wohl auch in freier Wildbahn auftreten, zum Beispiel resistente Bakterien in Wildtieren, die dort eigentlich nicht auftauchen sollten. Außerdem beziehen sich die Versuche auf resistente Stämme, die sich vom Wildtyp allein durch dieses eine Resistenzgen unterscheiden. Es ist aber bekannt, dass resistente Bakterien gelegentlich zusätzliche Erbanlagen aufweisen, die den Fitnessnachteil des Resistenzgens reduzieren oder ausgleichen. Es spricht nichts dagegen, dass solche Stämme sich schon bei deutlich geringeren Antibiotika-Konzentrationen anreichern. Diese Ergebnisse sind ein (weiterer) Warnschuss, was resistente Bakterien und ihre medizinische Bedeutung angeht. Sie bedeuten, dass Resistenzen anders als vermutet eben nicht so schnell wieder aus natürlichen Populationen verschwinden werden, wenn sie einmal entstanden sind - heutzutage sind multiresistente Erreger hauptsächlich ein Problem in Krankenhäusern, aber das wird auf Dauer anders werden, mit allen Komplikationen, die das mit sich bringt. Schlimmstenfalls muss man irgendwann routinemä&...

Gullberg, E., Cao, S., Berg, O., Ilbäck, C., Sandegren, L., Hughes, D., & Andersson, D. (2011) Selection of Resistant Bacteria at Very Low Antibiotic Concentrations. PLoS Pathogens, 7(7). DOI: 10.1371/journal.ppat.1002158