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Mechanismus für flexibles Denken und Lernen im Gehirn identifiziert

Thu, 23 Jul 2026 11:55:29 +0200

Die Fähigkeit, das Verhalten flexibel an sich verändernde Umgebungen anzupassen, ist ein Kennzeichen von Intelligenz. Doch die biologischen Mechanismen des Gehirns, die dieser kognitiven Flexibilität zugrunde liegen, sind nach wie vor kaum verstanden. Eduardo Maristany de las Casas, Doktorand in der Arbeitsgruppe „Neuronale Plastizität“ von Prof. Matthew Larkum am Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin, ist in Zusammenarbeit mit Prof. Dieter Jaeger von der Emory University (Atlanta, USA) in einer Studie der Frage nachgegangen, inwiefern die biologische Grundlage dieses intelligenten Verhaltens in den langen und verästelten Fortsätzen von Nervenzellen, den Dendriten, zu finden ist. Sie kombinierten dafür in einem technisch anspruchsvollen Versuchsaufbau einen Verhaltenstest mit Mäusen, bei dem die Tiere zwischen leichten und schweren Aufgaben hin und her wechseln mussten, mit mikroskopischen Aufnahmen (Zwei-Photonen-Fluoroszens-Mikroskop) der beteiligten Hirnregionen und gezielten Manipulationen einzelner Neuronen. „In dieser Studie zeigen wir, dass Dendriten und ihre Interaktion mit Interneuronen den Kern dieser Fähigkeit bilden und dass verschiedene Formen des Lernens im Gehirn unterschiedlich umgesetzt werden“, sagt Eduardo Maristany. Die Ergebnisse der Studie sind kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Science erschienen.

Zusammenspiel mit Interneuronen und Clusterbildung ermöglicht Verhaltensanpassung

Maristany und sein Team entdeckten, dass die astartigen Fortsätze einer speziellen Art von Neuronen, den Pyramidenneuronen, in der Hirnrinde der Maus eine entscheidende Rolle beim flexiblen Lernen spielen. Diese Pyramidenneurone befinden sich in dem Teil der Hirnrinde, der der Steuerung willkürlicher Bewegungen dient (frontaler motorischer Kortex). Das flexible Lernen findet im Zusammenspiel dieser Dendriten mit einer bestimmten Klasse von Nervenzellen statt (NDNF-Interneuronen), die sich in derselben äußersten Schicht der Hirnrinde befinden und die als eine Art „Torwächter“ fungieren: Sind diese Zellen aktiv, unterdrücken sie die Kalzium-Signalübertragung in den Dendriten und verhindern dadurch, dass das Gehirn erlernte Regeln aktualisiert. Während eines Lernvorgangs hingegen reduzieren sie ihre Aktivität. Damit öffnet sich für das Tier ein Fenster zur Anpassung seines Verhaltens. Auf der zellulären Ebene geht dies einher mit einer Veränderung der Gestalt der Dendriten: Ihre Dornenfortsätze gruppieren sich entsprechend ihrer Funktion und bilden somit funktionelle ‚Cluster‘. Erst durch diese „dendritische Plastizität“ können die Dendriten Informationen adäquat übertragen und damit den Lernprozess ermöglichen.

In seinem Versuchsaufbau kombinierte Maristany einen Verhaltenstest mit Mäusen mit mikroskopischen Aufnahmen der beteiligten Hirnregionen (Zwei-Photonen-Fluoroszens-Mikroskop) und gezielten Manipulationen einzelner Neuronen in den Gehirnen der Mäuse. Für den Test mussten die Mäuse zwei unterschiedlich schwierige Verhaltensweisen erlernen und wurden darauf trainiert, zwischen ihnen hin und her zu wechseln (rule-switching-paradigm). Die komplexe Aufgabe bestand darin zu lernen, dass sie, wenn ihre Tasthaare links oder rechts stimuliert werden, entsprechend rechts oder links Zuckerwasser (als Belohnung) lecken. Bei der einfachen Aufgabe sollten sie das Zuckerwasser immer auf der linken Seite lecken, unabhängig davon, auf welcher Seite zuvor die Tasthaare stimuliert worden waren. Das Hin- und Herwechseln zwischen beiden Aufgaben zeigte, ob und wie erlernte Verhaltensweisen erinnert oder überschrieben und aktualisiert werden.

Dendritische Plastizität ist nur in komplexen Lernsituationen erforderlich

Die Forschenden beobachteten während der Verhaltenstests, dass die oben beschriebene dendritische Plastizität nicht für die Ausführung der bereits erlernten einfachen Verhaltensweise oder für den Wechsel von der schwereren zur einfacheren Regel erforderlich war, sondern nur dann, wenn die Mäuse die komplexe Verhaltensregel erneut ausführen mussten. Cluster, zu denen sich die Dornenfortsätze an den Dendriten gruppiert hatten, lösten sich in dem Moment wieder auf, wenn die Tiere die einfache Aufgabe ausführten.

Die Studie liefert die ersten direkten Belege dafür, dass die komplexen Dendritenbäume kortikaler Neuronen als aktive Verarbeitungseinheiten dienen, um adaptives Verhalten zu ermöglichen. Inwieweit sich diese Ergebnisse auf andere Hirnregionen oder auf lebensnähere Lernbedingungen übertragen lassen, muss noch untersucht werden.

Einsichten für die Behandlung von kognitiven Störungen und Inspirationsquelle für KI

Die in der Studie aufgedeckten biologischen Mechanismen des Lernens könnten in Zukunft eine Rolle für das Verständnis von Störungen der kognitiven Flexibilität spielen – wie sie beispielsweise bei Autismus-Spektrum-Störungen, Schizophrenie oder altersbedingtem kognitiven Leistungsverlust auftreten und die Fähigkeit zur Anpassung an sich ändernde Regeln und Umgebungen beeinträchtigen. Darüber hinaus könnte insbesondere die Steuerung der Plastizität durch inhibitorische Schaltkreise neue Architekturen in der künstlichen Intelligenz und im maschinellen Lernen inspirieren. „Einer der Aspekte, die ich am faszinierendsten finde, ist die Fähigkeit des Gehirns, kognitiv flexibel zu bleiben und mit relativ begrenzten Ressourcen ständig weiterzulernen“, so Eduardo Maristany.

Humboldt-Universität zu Berlin

Originalpublikation:

Eduardo Maristany de las Casas et al.: Tuft dendrites in frontal motor cortex enable flexible learning.Science392,eadx4358(2026).DOI:10.1126/science.adx4358

Der individuelle genetische Hintergrund steuert die Evolution von Krebs

Thu, 23 Jul 2026 11:50:13 +0200

Die Studie wurde von Forschenden von den Universitäten Cambridge, Edinburgh und Yale sowie dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) geleitet. Sie untersuchten über 580 Lebertumoren aus vier genetisch unterschiedlichen Mauslinien. Die genetischen Differenzen zwischen den vier Stämmen entsprachen in etwa den Differenzen innerhalb der menschlichen Bevölkerung. Alle Tiere wurden unter identischen Bedingungen gehalten und derselben krebsauslösenden Substanz ausgesetzt. Dennoch entwickelten sich die Tumoren je nach genetischem Hintergrund auf unterschiedliche Weise.

Bemerkenswert war dabei, dass die Tumoren trotz ihrer unterschiedlichen Entstehungswege am Ende dieselben zentralen Signalwege aktivierten – insbesondere den sogenannten MAPK-Signalweg. Diese mehrstufige Kaskade molekularer Signale steuert wichtige Prozesse des Lebens, darunter Zellwachstum und Zelldifferenzierung, und spielt bei zahlreichen Krebsarten eine wichtige Rolle. Viele bekannte Krebstreiber wie z. B. Braf oder Kras sind daueraktivierte Komponenten dieses Signalwegs.

Der genetische Hintergrund beeinflusste jedoch, welche Mutationen sich durchsetzen, wie stabil das Erbgut der Tumorzellen blieb und wie schnell sich Krebs entwickelte. Zwischen den vier Mausstämmen gab es erhebliche Differenzen bei der Entstehungszeit der Tumoren, die interessanterweise nicht mit Anzahl und Art der genetischen Veränderungen korrelierten.

Auffällig war auch die Beobachtung, dass bei einem der Mausstämme weniger genetische Veränderungen ausreichten, um eine bösartige Veränderung der Zellen zu erreichen und den Fortbestand des Tumors zu sichern, als bei den drei anderen Mauslinien.

Die Forschenden zeigen damit erstmals unter streng kontrollierten Bedingungen, wie stark die Wechselwirkung zwischen genetischer Veranlagung und Umweltfaktoren den Verlauf der Krebsentwicklung bestimmt. Die Ergebnisse legen nahe, dass selbst vergleichsweise kleine Unterschiede im Erbgut erhebliche Auswirkungen auf Krebsrisiko, Tumorbiologie und möglicherweise sogar auch auf das Ansprechen von Therapien haben können.

„Krebs entsteht nicht rein zufällig. Zwar haben die Tumoren am Ende oft gleiche biologische Merkmale, doch der Weg dorthin wird entscheidend vom individuellen genetischen Hintergrund bestimmt. Wir konnten hier erstmals aufzeigen, inwieweit der genetische Hintergrund sowohl die Mutationsprozesse als auch die Wege zur Tumorentwicklung beeinflusst“, sagt Duncan T. Odom vom DKFZ, einer der Seniorautoren der Arbeit. Er ergänzt: „Das unterstreicht, wie wichtig es ist, den genetischen Hintergrund bei der Konzeption und Interpretation biomedizinischer und translationaler Forschung zu berücksichtigen. Wir sehen unsere Ergebnisse daher langfristig als einen wichtigen Schritt hin zu einer präziseren personalisierten Krebs-Prävention, Früherkennung und Behandlung.“

Deutsches Krebsforschungszentrum

Originalpublikation:
Sarah J. Aitken et al.: Genetic background sets the trajectory of experimental cancer evolution, Nature 2026, 10.1038/s41586-026-10821-z. https://www.nature.com/articles/s41586-026-10821-z.

Rechts- oder Linksrüssler?

Thu, 23 Jul 2026 11:06:34 +0200

Die meisten Menschen besitzen eine bevorzugte Hand, wenn es zum Beispiel ums Schreiben oder das Greifen nach einer Tasse geht. Gleiches gilt für die Füße, beispielsweise beim Fußballspielen. Und auch viele Tiere – wie Vögel, Tintenfische oder Insekten – nutzen für bestimmte Handlungen bevorzugt ihr rechtes oder linkes Bein, bzw. ihren rechten oder linken Arm oder Fühler. Diese Form der „Lateralisation“ ist im Tierreich also weit verbreitetet und kommt bei Organismen mit ganz unterschiedlichen Nervensystemen vor.

Doch wie ist es bei Extremitäten, von denen es pro Tier nur eine gibt – wie unsere Zunge oder der Rüssel eines Elefanten? Auch hier gibt es Fälle von Lateralisation. Einen davon konnten Forschende um Lochlan Walsh und Anna Stöckl von der Universität Konstanz in ihrer aktuellen Studie in PNAS nachweisen: Sie fanden heraus, dass Taubenschwänzchen – eine tagaktive Falterart – ihren Saugrüssel bevorzug auf einer Körperseite halten, während sie eine Blüte auf der Suche nach Nektar inspizieren. Dies könnte ein Trick der Natur sein, mit dem selbst Organismen mit vergleichsweise einfachen Nervensystemen präzise Bewegungen steuern können.

Eine Art von Händigkeit beim Taubenschwänzchen

Um überhaupt beobachten zu können, in welche Richtung die Taubenschwänzchen ihren langen Rüssel ausstrecken, stellten die Forschenden künstliche Blütenoberflächen auf, die von den Faltern angeflogen und inspiziert wurden. Mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras und maschinellem Sehen konnten sie anschließend die Rüsselbewegungen der Tiere im Verhältnis zum Rest des Körpers im Detail rekonstruieren.
Dabei zeigte sich: Einige Tiere neigten dazu, ihren Rüssel beim Inspizieren der Blüte hauptsächlich links der eigenen Körperachse zu platzieren, andere dagegen eher rechts. Die Stärke der Seitenpräferenz konnte zwischen den Individuen variieren, genau wie bei der Händigkeit beim Menschen. Zudem war die jeweilige Seitenpräferenz von Beginn des Experiments an vorhanden und ergab sich nicht erst mit zunehmender Erfahrung der Tiere. „Das deutet darauf hin, dass die Lateralisation des Rüssels ein angeborenes Merkmal ist und dass sie eine bedeutende Rolle bei der Steuerung des Blüteninspektionsverhaltens spielt“, so Stöckl.

Dort berühren, wo man hinschaut

In einem weiteren Schritt simulierten die Forschenden das Gesichtsfeld der Tiere während der Blüteninspektion. Sie fanden heraus, dass die Taubenschwänzchen nicht nur eine bevorzugte Seite für die Platzierung des Rüssels, sondern auch ein dominantes Auge bei der Betrachtung des berührten Blütenteils hatten. Die Seite des dominanten Auges und die der bevorzugten Rüsselplatzierung stimmten dabei überein. „Insekten besitzen recht kleine Gehirne. Den Rüssel im Sichtfeld des dominanten Auges auszurichten, kann wertvolle Rechenleistung bei der Bewegungssteuerung sparen. Anstatt eine Bewegung permanent aus jedem möglichen Winkel neu zu berechnen, kann sich das Tier auf eine vertraute Körperseite verlassen“, erklärt Walsh.

Das Überraschende: Die Ausrichtung des Rüssels im Sichtfeld des dominanten Auges blieb selbst dann erhalten, wenn ein Teil des dominanten Auges im Experiment abgedeckt wurde, um die Sicht zu blockieren. „Menschen oder Vögel würden ihre Extremität in einem solchen Fall flexibel in das Sichtfeld des freien Auges bewegen. Die Taubenschwänzchen dagegen verändern ihre Körperposition an der Blüte so, dass sie diese mit dem unbedeckten Teil des dominanten Auges betrachten und ihre ursprüngliche Auge-Rüssel-Strategie beibehalten können“, berichtet Walsh. Sie scheinen also als Folge der deutlich begrenzten Rechenkapazität ihrer Gehirne auf diese effiziente Koordination von dominantem Auge und Rüssel angewiesen zu sein.

Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass es keines großen Gehirns bedarf, um präzise, flexible Verhaltensweisen auszuführen. „Stattdessen können sich Tiere auf eine effiziente Abkürzung in der Beziehung zwischen Körper, Sinnen und Bewegung verlassen“, so Stöckl. Beim Taubenschwänzchen ist dies die Kopplung von Auge und Rüssel, die als koordinierte Einheit zusammenarbeiten. „Jedes Taubenschwänzchen löst die Herausforderung der Blüteninspektion mithilfe der Seitenpräferenzen des eigenen Körpers. Unsere Studie legt folglich nahe, dass Lateralisation eine Möglichkeit der Natur sein könnte, schwierige Aufgaben zu vereinfachen – ob diese Aufgabe nun darin besteht, nach einer Kaffeetasse zu greifen oder vor einer Blüte schwebend mit dem Rüssel nach Nektar zu suchen.“

Universität Konstanz

Originalpublikation:

L. Walsh, S.M. Kannegieser, A.L. Stöckl (2026). Conservation of a lateralized visuomotor axis in hawkmoth proboscis probing. PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2609365123

Änderungen in atmosphärischer Zirkulation verursachen Trockenheit in Europa

Thu, 23 Jul 2026 10:52:20 +0200

Gerade weil die atmosphärische Zirkulation einen so großen Anteil an dieser Austrocknung hat, sei die künftige Entwicklung mit hoher Unsicherheit behaftet, sagt der Erstautor der Studie, Dr. István Dunkl vom Institut für Meteorologie der Universität Leipzig. Sie wurde gerade im Fachjournal „Nature Geoscience“ veröffentlicht.

Die Arbeitsgruppe Klimaattribution an der Universität Leipzig beschäftigt sich mit der Frage, wie stark sich der Klimawandel auf bestimmte Klimaereignisse ausgewirkt hat. „Wir haben uns in dieser Studie Europa gewidmet, da dies eine der Regionen mit den stärksten beobachteten Erwärmungstrends ist. Unter anderem hat in den letzten Jahrzehnten die Häufigkeit und Intensität von Hitze und Dürre im Sommer stark zugenommen“, sagt Juniorprofessor Dr. Sebastian Sippel vom Institut für Meteorologie, der ebenfalls an der Studie mitgewirkt hat. Diese zunehmende Bodentrockenheit habe unter anderem erhebliche Folgen für die Ernteerträge, die Wasserverfügbarkeit und die Energieproduktion.

„Wir haben zudem festgestellt, dass sich der Einfluss des Klimawandels auf die europäische Bodenfeuchte von Jahr zu Jahr unterscheidet: Besonders in Sommern mit wenig Niederschlag ist der reduzierende Einfluss des Klimawandels auf Bodenfeuchte besonders hoch“, erklärt Dunkl. Das liege daran, dass der Niederschlag zwar insgesamt abnimmt, sich Extremniederschlagsereignisse jedoch intensivieren. Dadurch werde die Austrocknung in eher nassen Jahren etwas ausgeglichen, da eine größere Menge des Niederschlags aus Extremereignissen kommt. Ob die Trockenheit in der Zukunft weiter zunimmt oder sich vorübergehend umkehrt, hängt Dunkl zufolge davon ab, ob die Zirkulationsänderung durch den Klimawandel angetrieben wird oder aus natürlicher Klimaschwankung entspringt. Das sei bislang weitgehend noch ungeklärt.

Ursachen für zunehmende Temperaturen und Dürre noch nicht vollends geklärt

Die Ursachen der überdurchschnittlichen Zunahme von Temperaturen und Dürre im Sommer sind nach Ansicht der Forschenden noch nicht vollständig geklärt. Zum einen sei sie eine direkte Folge des Klimawandels: Die erhöhte Konzentration an atmosphärischem Kohlendioxid hat den Energiehaushalt der Erde verändert und der damit einhergehende Anstieg der Temperaturen für eine stärkere Austrocknung der Böden gesorgt.

Zum anderen entstehen feuchte beziehungsweise trockene Sommer durch Variabilität in der atmosphärischen Zirkulation, also das großräumige Zusammenspiel von Hoch- und Tiefdruckgebieten. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich dieses Muster über Europa verändert: Es gibt mehr und länger andauernde Sommerhochs, die für stabiles, trockenes und heißes Wetter sorgen, und weniger Tiefs, die Regen bringen. „Diese Änderung der atmosphärischen Zirkulation trägt erheblich zur sommerlichen Dürre bei, das hat unsere Studie gezeigt. Das damit einhergehende wissenschaftliche Problem birgt eine sehr hohe Ungewissheit, was die Projektionen von Dürre in Europa angeht: Während die Mechanismen hinter den direkten Effekten der Erderwärmung verstanden sind, gibt es noch erhebliche Unsicherheit über die Ursachen der Zirkulationsänderung“, erläutert Dr. Dunkl. Mit ihrer Studie haben die Forschenden genau an diesem Punkt angesetzt und quantifiziert, zu welchem Teil die direkten Effekte und die Zirkulation an Dürre-Trends in Europa verantwortlich sind und wie genau diese beiden Effekte den Wasserhaushalt in Europa verändern.

Beobachtungsbasierte Studien konnten bislang nur zeigen, dass Trockenheit und veränderte Wetterlagen gemeinsam auftreten, ohne den ursächlichen Beitrag der Zirkulation zu belegen, während Klimamodelle die beobachteten europäischen Zirkulationstrends nicht reproduzieren können. Die Arbeit der Leipziger Wissenschafter:innen schließt nun diese Lücke, indem sie die beobachteten Zirkulationsänderungen in ein Klimamodell eingebettet haben und so erstmals den kausalen Zusammenhang zwischen Zirkulationsänderung und Trockenheit-Trends quantifizieren konnten.

Neue Studien zum Zusammenhang zwischen Klimawandel und Waldbrandgefahr

Mit diesen neuen Erkenntnissen lasse sich das Dürrerisiko besser eingrenzen, sagt Dunkl. Dürreschäden belaufen sich in Europa durchschnittlich auf rund neun Milliarden Euro jährlich, im gesamten Mittelmeerraum noch deutlich mehr. Die Studie zeigt, dass dynamische und thermodynamische Prozesse zusammen betrachtet werden müssen, um vergangene Trends zu deuten und das künftige Risiko abzuschätzen. Die neue Leipziger Studie liefert eine Grundlage, um Klimaprojektionen zu evaluieren und ihre Unsicherheit abzuschätzen und um robuste Anpassungsstrategien für ein trockener werdendes Europa zu entwickeln.

Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt von Trends in Hitzewellen und Dürre ist hingegen noch wenig erforscht: der Einfluss verschiedener Aspekte von Biodiversität auf Hitze und Trockenheit und deren mögliche Rolle als Puffer im Klimawandel. Diese Aspekte wollen die Leipziger Wissenschaftler:Innen in einem beantragten größeren Verbundprojekt beleuchten.

Gerade arbeiten die Meteorolog:innen der Universität Leipzig an drei Studien zum Zusammenhang zwischen Klimawandel und Waldbrandgefahr. Dabei fokussieren sie sich unter anderem auf die Brände in Spanien und Portugal im Sommer 2025.

Universität Leipzig

Originalpublikation:

Dunkl, I., Bastos, A. & Sippel, S. European summer drying largely driven by atmospheric circulation changes since the 1980s. Nat. Geosci. (2026). doi.org/10.1038/s41561-026-02050-w

Fruchtfliegen im Abwehrmodus: Wie Immunzellen Parasiten lebendig einmauern

Thu, 23 Jul 2026 10:16:01 +0200

Wespenlarve frisst sich durchs Innere der Fliegenlarve

Mithilfe hochauflösender Lebendzellmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnten die Forschenden um Prof. Dr. Sven Bogdan von der Philipps-Universität Marburg erstmals in Echtzeit beobachten, wie sich die Lamellozyten verändern. Im Ruhezustand zirkulieren sie passiv und starr in der Körperflüssigkeit der Larve – ähnlich wie Blutplättchen im menschlichen Blut. Erst beim Kontakt mit einem Wespenei werden sie aktiviert: Das Aktin-Zytoskelett wird tiefgreifend umgebaut, die Zellen werden weicher, spreizen sich über die Oberfläche des Parasiten-Eis aus und bilden eine schützende Kapsel. Fehlt Frl/FMNL oder einer seiner Aktivatoren Cdc42 beziehungsweise Rac2, misslingt dieser Umbau. Die Immunzellen können das Wespenei nicht mehr umschließen – die Parasiten entwickeln sich weiter und töten schließlich die Fruchtfliegenlarve.

Zum Fressen zu groß: Immunsystem erfindet alternative Strategie

Die Erkenntnisse reichen weit über die Fruchtfliege hinaus. Frl/FMNL gehört zu einer Familie von Aktinregulatoren, die auch beim Menschen vorkommen und die Form sowie Beweglichkeit von Immunzellen steuern. Besonders eosinophile Granulozyten nutzen bei der Abwehr großer Parasiten wie Würmern eine ähnliche Strategie: Weil diese Eindringlinge zu groß sind, um sie einfach zu „fressen“, werden sie von Immunzellen eingekapselt. Die neuen Ergebnisse liefern deshalb wichtige Einblicke in grundlegende Mechanismen der angeborenen Immunabwehr und könnten dazu beitragen, angeborene Immundefekte, die durch Störungen des Aktin-Zytoskeletts verursacht werden, besser zu verstehen und langfristig neue therapeutische Ansätze zu entwickeln.

Universität Marburg

Originalpublikation:

Darius Molitor, Hermann Schiller, Sven Bogdan: Cdc42 and Rac2 act through the formin-like Frl/FMNL to control lamellocyte shape and encapsulation of parasitoid wasp eggs in Drosophila, PLOS Pathogens (2026), DOI: https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1014440

Das Schweizermesser der Korallen: Was ihre Wimpern alles können

Wed, 22 Jul 2026 11:57:02 +0200

Sesshafte Meeresbewohner verbringen ihr ganzes Erwachsenenleben fest verankert am Meeresboden. Anders als etwa Fische können sie nicht einfach wegschwimmen, wenn sich die Umweltbedingungen ändern. Vielmehr sind sie davon abhängig, dass das sie umströmende Wasser Nahrung und Sauerstoff liefert, Abfallstoffe wegspült und ihre Larven in neue Lebensräume transportiert. Fließendes Wasser ist daher nicht nur ihre Umgebung, es ist ihre Lebensader.

Warum gibt es so viele Formen?

Es ist erstaunlich, welche Formenvielfalt sesshafte Organismen entwickelt haben. Manche erinnern an zarte Bäumchen, andere strecken elegante Fächer oder Peitschen in die Strömung. Diese Vielfalt wirft eine grundlegende Frage auf: Warum gibt es so viele verschiedene Formen? Könnten diese Formen den Tieren helfen, das sie umgebende Wasser zu ihrem Vorteil zu beeinflussen?

Um diese Fragen zu beantworten, machte sich eine Gruppe von Forschenden um Mathilde Godefroid und Soeren Ahmerkamp, beide korrespondierende Autoren der Studie, auf den Weg in die verborgene mikroskopische Welt der schwarzen Korallen. Diese Korallen können mehrere Meter groß werden. „Die wichtigen Wechselwirkungen zwischen dem Tier und seiner Umgebung finden jedoch auf winzigem Maßstab statt, der hundertmal kleiner ist als ein Sandkorn“, erklärt Ahmerkamp, der zuvor am Max-Planck-Institut in Bremen angestellt war und nun Gruppenleiter am IOW ist. „Wir haben diese Bewegungen im winzigen Maßstab untersucht, um besser zu verstehen, was dort vor sich geht“, fügt Mathilde Godefroid hinzu, die mit Ahmerkamp am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie zusammengearbeitet hat und nun als Postdoc an der Université Libre de Bruxelles in Belgien tätig ist.

Unterwasserwälder aus schwarzen Korallen

Schwarze Korallen gehören zu den erstaunlichsten und am wenigsten erforschten Meeresbewohnern. Sie leben in allen Ozeanen, von flachen Riffen bis in die Tiefsee, und bilden komplexe Gemeinschaften, die dichten Unterwasserwäldern ähneln. Diese Wälder bieten unzähligen anderen Arten einen Lebensraum. „Sie zeigen eine spektakuläre Vielfalt an Körperformen und sind ökologisch sehr wichtig für den Lebensraum Meer“, sagt Godefroid. „Das macht sie zu einem idealen Modell, um zu verstehen, wie die Körperform den Stoffaustausch mit der Umwelt beeinflusst.“

Wie alle Korallen bestehen auch schwarze Korallen aus großen Kolonien zahlreicher kleiner Einzeltierchen, den Polypen. Sie gehören zu einer sehr alten Tiergruppe, den Nesseltieren (Cnidaria), zu der auch Seeanemonen und Quallen zählen. Ein Merkmal verbindet viele dieser Tiere: Ihre Oberflächen sind mit Millionen mikroskopisch kleinen Strukturen bedeckt, die an Haare erinnern. Diese winzigen Wimpern, sogenannte Zilien, schlagen kontinuierlich und in perfekt koordinierten Wellen. Auf diese Weise erzeugen sie direkt um die Koralle herum winzige Strömungen.

Wimpern – sie schlagen im Takt und haben viele Funktionen

Den Forschenden ist es nun gelungen, diese sonst unsichtbaren Strömungen in großem Detail sichtbar zu machen. So konnten sie beobachten, wie sich Sauerstoff, Nährstoffe und mikroskopisch kleine Partikel zwischen der Koralle und dem umgebenden Meerwasser bewegen. Sie nutzten dazu eine neuartige Bildgebungsmethode, die mithilfe mikroskopisch kleiner Partikel als Tracer gleichzeitig Wasserströmungen und Sauerstoffkonzentrationen sichtbar macht. Ergänzt wurden diese Messungen durch verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Stoffwechselaktivität. Damit untersuchte das Team Fragmente von schwarzen Korallen von Riffen vor Gran Canaria, die unter kontrollierten Bedingungen in Aquarien gehalten wurden. So war es zudem möglich, erstmalig direkt die interne Strömung in Hexakorallen mithilfe natürlich vorkommender Partikel und natürlicher Nahrungsaufnahme zu beobachten.

“Was wir gefunden haben, hat uns sehr überrascht”, sagt Godefroid. “Korallen unterschiedlicher Form haben ganz unterschiedliche Wege entwickelt, wie sie diese Strömungen nutzen.” Ein Beispiel: Breite, stark verzweigte Korallen nutzen die Wimpern, um Nahrungspartikel einzufangen und über ihre komplexe Oberfläche zu verteilen. Dadurch stellen sie sicher, dass die vielen einzelnen Polypen kontinuierlich mit Nahrung versorgt werden. Im Gegensatz dazu nutzen schlanke, peitschenartige Korallen die Wimpern ganz anders: Anstatt Nahrung zu transportieren, belüften sie das Korallengewebe, indem sie das umgebende Wasser durchwirbeln um kontinuierlich Sauerstoff anzuliefern und Abfallprodukte abzutransportieren. Dieses mikroskopische Belüftungssystem ermöglicht es der Koralle, auch bei geringer Strömung zu atmen.

„Die Geschichte wurde noch faszinierender, als es uns gelang, einen Blick ins Innere der Koralle zu werfen“, fügt Ahmerkamp hinzu. Wir verfolgten den Weg natürlich vorkommender Partikel und haben entdeckt, dass die Wimpern auch in einem verborgenen Netzwerk winziger Kanäle aktiv sind, die benachbarte Polypen miteinander verbinden.“ Diese internen Strömungen transportieren Nährstoffe und andere Stoffe durch die gesamte Kolonie. „Sie verbinden Hunderte einzelner Tiere zu einem einzigen integrierten Organismus.“

Ein Werkzeug, viele Funktionen: Das Schweizermesser der Korallen

Zusammengenommen zeigen diese Erkenntnisse, dass die Wimpern von Korallen eine bemerkenswerte Vielfalt an Funktionen erfüllen, sie sind gewissermaßen das Schweizer Taschenmesser der Natur. Sie belüften das Gewebe, verteilen Nahrung, transportieren Stoffe durch verborgene innere Kanäle und ermöglichen es den Korallen letztendlich, die Wasserströmung um und in ihrem eigenen Körper zu steuern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch Wimpern angetriebene Strömungen einen grundlegenden, bislang jedoch weitgehend übersehenen Mechanismus für das Überleben der schwarzen Korallen darstellen. Ganz allgemein zeigen sie, wie mikroskopisch kleine Strukturen das Leben ganzer Organismen formen und beeinflussen, wie diese sich ernähren, atmen, wachsen und mit ihrer Umwelt interagieren. „Wimpern gibt es im gesamten Tierreich, von urzeitlichen Korallen über Fische und Mäuse bis hin zum Menschen. Unsere Arbeit legt nahe, dass diese winzigen biologischen Motoren viel wichtiger für die Evolution und Artenvielfalt der Tiere gewesen sein könnten, als bisher angenommen“, schließt Ahmerkamp.

Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

Originalpublikation:

Mathilde Godefroid, Francisco Otero-Ferrer, Michael Wind-Hansen, Lars Behrendt, Ignace Ransquin, Emilio Soler-Onís, Fernando Espino, Sten Littmann, Soeren Ahmerkamp (2026): Ciliary flow and morphology shape mass transport at the surface and within gastrovascular cavities of black corals. Commun Biol 9, 876. https://doi.org/10.1038/s42003-026-10531-2

Neues KI-basiertes Tool ermöglicht die Vorhersage der Aktivität von DNA-Sequenzen

Wed, 22 Jul 2026 11:50:57 +0200

Obwohl die verschiedenen Zellen in unserem Körper auf den ersten Blick ähnlich erscheinen, verfügt aufgrund kleiner genetischer Variationen jeder Mensch über eine einzigartige genetische Ausstattung. Diese Varianten können die Genexpression in den Zellen verändern. Forscher*innen interessieren sich zunehmend für diese Variationen, da sie möglicherweise an Krankheitsmechanismen beteiligt sind und wichtige Ansätze für die personalisierte Medizin liefern könnten. Allerdings sind nur wenige dieser Varianten funktionell relevant. In den letzten Jahren wurden daher KI-basierte Werkzeuge entwickelt, die die Auswirkungen dieser Varianten anhand von Sequenzdaten vorhersagen und die wichtigsten davon priorisieren.

Allerdings weisen viele dieser Werkzeuge grundlegende Einschränkungen auf. So können einige nicht über ihre Trainingsdaten hinaus extrapolieren, da sie den zellulären Kontext außer Acht lassen. Dieser Kontext bestimmt jedoch, wie Gene ein- oder ausgeschaltet werden. „Mit Corgi haben wir ein Modell geschaffen, das viele dieser Einschränkungen überwindet. Es kann Messgrößen im Zusammenhang mit der Genomaktivität korrekt vorhersagen, darunter Genexpression, Chromatinzustand und Histonmodifikationen“, sagt Ekin Deniz Aksu, der Erstautor der Studie.

Frühere Modelle ließen diesen zellulären Kontext in der Regel außer Acht und stützten sich ausschließlich auf die Sequenz. Diese Modelle wurden anhand großer Datensätze trainiert, die DNA-Sequenzen mit Ausgangsgrößen wie RNA-Aktivität oder Chromatinzugänglichkeit verknüpften. Das Problem dabei ist jedoch, dass die DNA nicht isoliert wirkt, sondern mit einer Vielzahl regulatorischer Moleküle zusammenwirkt. So kann sich dieselbe DNA-Sequenz beispielsweise in einer Nervenzelle anders verhalten als in einer Leberzelle, da jede Zelle eine andere Zusammensetzung regulatorischer Moleküle aufweist. „Um unser Modell zu trainieren, haben wir eine Architektur entwickelt, die der tatsächlichen biologischen Realität in einer Zelle besser entspricht. Dazu haben wir Expressionsdaten einer großen Anzahl regulatorischer Gene integriert“, sagt Ekin Deniz Aksu.

Eine verbesserte Version des Programms namens „Corgi+” kann epigenetische Informationen aus RNA-Sequenzierungsdaten ableiten. Mit weiteren Anpassungen könnten Forscher*innen das Werkzeug in Zukunft nutzen, um große Lücken in Datensätzen zu schließen, ohne jedes Experiment direkt durchführen zu müssen. Dies stellt insbesondere im Hinblick auf seltene Zelltypen, Embryonen und begrenzte Gewebeproben von Patient*innen einen großen Vorteil dar.

Die Wissenschaftler*innen hoffen, dass ihr Ansatz auch virtuelle Zellmodelle verbessern wird. Diese Systeme zielen darauf ab, die Auswirkungen von Genveränderungen auf zellulärer Ebene nachzubilden. Bislang werden darin jedoch keine Informationen über die DNA-Aktivität berücksichtigt. „Wir glauben, dass unser Modell in Zukunft dazu beitragen könnte, Sequence-to-Function-Modelle mit virtuellen Zellen zu verbinden”, sagt Ekin Deniz Aksu. Langfristig könnten solche Systeme Wissenschaftler*innen dabei unterstützen, Wirkstoffkandidaten virtuell zu screenen und zu verstehen, wie bestimmte Mutationen zelluläre Prozesse verändern und komplexe Krankheitsphänotypen verursachen.

Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

Originalpublikation:

Aksu, E.D., Vingron, M. Context-aware sequence-to-function model of human gene regulation. Nat Commun 17, 6200 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-75527-2

Neue Bakteriengattung Brakhagea beschrieben

Wed, 22 Jul 2026 11:27:58 +0200

Manche für die Forschung vielversprechenden Mikroorganismen schlummern seit Langem in historischen Sammlungen. Doch erst neue Methoden machen sichtbar, welche Vielfalt und welches Potenzial in ihnen steckt. Das Team um Prof. Christian Jogler von der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat eine solche Sammlung untersucht: Bakterienstämme, die zwischen den 1980er und den frühen 2000er Jahren von Heinz Schlesner aus verschiedenen Gewässern in Norddeutschland isoliert wurden, darunter aus dem Ostseefjord Schlei, aus Teichen und aus einer Abwasserlagune.

Durch moderne Genomsequenzierung und phylogenetische Analysen konnten die Forschenden zeigen, dass vier dieser Bakterienstämme bislang unbekannte Arten repräsentieren, die gemeinsam die neue Gattung Brakhagea bilden. Diese neue Gattung lässt sich den Planctomyceten zuordnen, einer vergleichsweise wenig erforschten Bakteriengruppe mit ungewöhnlicher Zellbiologie. So vermehren sich auch die neuen Brakhagea-Arten – wie viele Planctomyceten – nicht durch klassische Zweiteilung, sondern durch Knospung, die man vor allem bei Hefepilzen kennt. Eine kleine Tochterzelle wächst an einer größeren Mutterzelle heran und löst sich später ab.

Potenzial für neue Naturstoffe

Neben dieser für Bakterien ungewöhnlichen Vermehrungsform war für die Forschenden vor allem der Blick ins Erbgut der neu identifizierten Arten interessant. Dort fanden sie mehrere Biosynthese-Gencluster. Solche Gencluster weisen darauf hin, dass Mikroorganismen bioaktive Naturstoffe bilden können. Die Autoren bezeichnen die neuen Bakterien daher als mögliche „talented producers“, also als potenziell begabte Produzenten biologisch wirksamer Verbindungen. Damit schlägt die Arbeit eine Brücke zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt des Leibniz-HKI: der Suche nach mikrobiellen Naturstoffen als Basis für neue Therapeutika und dem Verständnis ihrer Rolle in infektionsbiologischen Prozessen.

Vor ihrer Untersuchung hatten die Bakterienstämme bereits eine kleine Reise hinter sich. Von der Universität Kiel gelangten sie zunächst nach Regensburg, wo Studienleiter Jogler sie persönlich abholte und nach Jena brachte. „Heute können wir mit Methoden auf diese Bakterien schauen, die es zur Zeit ihrer Isolation noch gar nicht gab. Als 2003 erstmals das vollständige Genom eines Planctomyceten sequenziert wurde, war die anschließende Auswertung und Einordnung noch ein aufwendiger Prozess mit viel manueller Arbeit, der gut ein Jahr dauerte. Heute gelingen vergleichbare Analysen mit modernen bioinformatischen Verfahren weitgehend automatisiert in wenigen Minuten. Das eröffnet ganz neue Möglichkeiten, die Vielfalt dieser Bakterien und ihr Potenzial für Naturstoffe zu erforschen“, sagt Jogler.

Besonderer Namensgeber

Der für die neue Gattung vorgeschlagene Name ist kein Zufall. Mit der Bezeichnung Brakhagea würdigen die Forschenden die Beiträge von Axel Brakhage zur Mikrobiologie. Brakhage ist Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und wissenschaftlicher Direktor des Leibniz-HKI. In seiner wissenschaftlichen Arbeit verbindet er seit Jahrzehnten die Erforschung humanpathogener Pilze mit der Entdeckung neuer Naturstoffe und der Frage, wie mikrobielle Wirkstoffe für Antibiotika oder andere therapeutische Ansätze nutzbar gemacht werden können. Mit diesem interdisziplinären Ansatz prägt er die Forschungsstrategie in Jena entscheidend mit. So war er federführend als Gründungssprecher an der Einwerbung des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ beteiligt, der zusammen mit dem Exzellenzcluster „Imaginamics“ die Voraussetzung dafür geschaffen hat, dass die Universität Jena sich nun um den Titel als Exzellenzuniversität bewirbt.

„Ich freue mich sehr über diese besondere Würdigung und natürlich auch über den klaren Bezug zu einem meiner Forschungsschwerpunkte, den wir bei uns am Leibniz-HKI bearbeiten: dem Potenzial von Mikroorganismen, chemische Verbindungen zu bilden, die Grundlage für neue Wirkstoffkandidaten gegen Infektionskrankheiten sein können“, sagt Brakhage, der das Forschungsteam anlässlich der Benennung im Jogler Lab besuchte. Bei einer gemeinsamen Tour durch das Labor zeigte ihm das Team die neu beschriebenen Bakterien und gab Einblicke in die Genomanalysen, mit denen sie untersucht wurden. „Es ist immer wieder erstaunlich zu sehen, welche Schätze in mikrobiellen Sammlungen verborgen sein können. Was vor Jahrzehnten gesammelt wurde, erhält durch moderne Technologien plötzlich eine neue Bedeutung“, so Brakhage.

„Wenngleich es nun Bakterien und keine Pilze sind, die meinen Namen tragen, so passt es doch sehr gut, dass sie mit ihrem Potenzial der Wirkstoffsynthese hervorragende Beispiele für die Apotheke aus der Natur bilden. Und obwohl ich als Wissenschaftler sehr rational an die Dinge herangehe, muss ich doch bekennen, dass mich eine solche Ehrung auch persönlich berührt“, ergänzt Brakhage, als ihm das Forschungsteam eine persönlich gestaltete Urkunde zur Benennung der neuen Gattung überreicht.

Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI)

Originalpublikation:

Kumar G, Kallscheuer N, Hammer J, Haufschild T, and Jogler C (2026) The novel genus Brakhagea gen. nov. is constituted by four planctomycetal species isolated from aquatic environments in Northern Germany. Scientific Reports 16, 12750. https://doi.org/10.1038/s41598-026-47393-x

Bandwurm lässt Ameisen länger leben

Wed, 22 Jul 2026 11:15:42 +0200

Ein Bandwurm verändert das Leben von Ameisen grundlegend: Arbeiterinnen der Art Temnothorax nylanderi, die vom Bandwurm Anomotaenia brevis befallen sind, leben um ein Vielfaches länger als ihre nicht infizierten Nestgenossinnen. Außerdem sind sie weniger aktiv, während ihr Stoffwechsel zum Teil dem von Königinnen ähnlicher wird. Eine neue Studie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), die nun in der Fachzeitschrift BMC Genomics erschienen ist, zeigt die molekularen Hintergründe dieses ungewöhnlichen Effekts. Die Forschenden fanden Hinweise darauf, dass der Parasit vorhandene biologische Programme der Ameise verändert. Für den Bandwurm könnte diese Veränderung vorteilhaft sein, denn die Ameisen dienen ihm als Zwischenwirte. Vollständig entwickelt sich der Parasit erst in Spechten, seinen Endwirten. Dass infizierte Arbeiterinnen länger leben und weniger aktiv sind, könnte seine Weitergabe begünstigen.

Für die Studie untersuchte das Team um Prof. Dr. Susanne Foitzik vom Institut für Organismische und Molekulare Evolution (iomE) der JGU Ameisen aus dem Lennebergwald bei Mainz. Diese wurden im Labor drei Gruppen zugeordnet: Königinnen, vom Bandwurm infizierten Arbeiterinnen und nicht infizierten Arbeiterinnen. Aus den Tieren präparierten die Forschenden jeweils Gehirn und Fettkörper, ein unter anderem für Stoffwechsel und Immunsystem wichtiges Gewebe im Hinterleib. Anschließend analysierten sie mithilfe von RNA-Sequenzierung, welche Gene in den Gehirnen und Fettkörpern aktiv waren. Zusätzlich untersuchten sie Genom- und Transkriptomdaten des Bandwurms, also Daten zu seinem Erbgut und zu den Genen, die in ihm aktiv sind. So sollte geprüft werden, ob der Parasit körpereigene Signalstoffe der Ameisen nachahmt.

Infektion verändert Physiologie der Ameisen gezielt

„Unsere Genanalysen zeigen, dass die Infektion die Ameisen nicht einfach krank macht, sondern ihre Physiologie sehr gezielt verändert“, sagt Susanne Foitzik. „Auf molekularer Ebene zeigten befallene Arbeiterinnen ein in Teilen königinnenähnliches Profil.“ Besonders deutlich wurde dies im Fettkörper. „Dort fanden sich deutliche Überschneidungen zwischen infizierten Arbeiterinnen und Königinnen.“ Betroffen waren unter anderem Gene, die mit Stoffwechsel, Immunsystem, Stressresistenz und Alterungsprozessen zusammenhängen. „Die Befunde im Fettkörper sprechen dafür, dass der Bandwurm an vorhandene Signal- und Stoffwechselwege der Ameise anknüpft und diese verschiebt“, so Foitzik. Für die Alterung der Tiere ist dieser Befund besonders interessant: Aus früheren Untersuchungen zu diesem Ameisen-Bandwurm-System ist bekannt, dass infizierte Arbeiterinnen Überlebensraten aufweisen, die denen von Königinnen näherkommen. Königinnen dieser Art können bis zu 20 Jahre alt werden, während Arbeiterinnen in der Regel nur ein bis zwei Jahre leben. Dass infizierte Arbeiterinnen im Fettkörper teilweise ein königinnenähnliches molekulares Profil zeigen, könnte dazu beitragen, diesen Effekt zu erklären.

Gedämpfte Signale im Gehirn

Anders sah das Bild im Gehirn aus. Dort ähnelten infizierte Arbeiterinnen den Königinnen deutlich weniger. Stattdessen waren viele Neuropeptide, also Botenstoffe, die Verhalten, Nahrungsaufnahme und soziale Reaktionen beeinflussen können, sowie ihre Rezeptoren herunterreguliert. Die veränderte Aktivität dieser Signalwege könnte dazu beitragen, dass infizierte Arbeiterinnen weniger arbeiterinnentypisches Verhalten zeigen. „Der Effekt der Infektion ist also gewebespezifisch“, erklärt Giulia Blasi, Erstautorin der Studie und Doktorandin am iomE. „Im Fettkörper sehen wir eine Verschiebung in Richtung eines königinnenähnlichen Stoffwechselprofils. Im Gehirn dagegen werden viele Signalwege gedämpft, die mit Verhalten und Aktivität zusammenhängen.“

Eine mögliche Erklärung wäre gewesen, dass der Bandwurm Botenstoffe der Ameisen nachahmt, indem er eigene Neuropeptide bildet, die denen der Ameisen ähneln und so deren Signalsystem täuschen. Dafür fanden die Forschenden jedoch keine Hinweise, da die vom Parasiten gebildeten Peptide denen ihres Wirts nicht ausreichend ähnelten. „Die Daten sprechen eher dafür, dass der Parasit die Ameise indirekt beeinflusst, indem er in körpereigene Regulationsnetzwerke eingreift, die unter anderem Stoffwechsel, Immunsystem, Alterung und Verhalten steuern“, so Blasi.

Modell für parasitäre Manipulation

„Königinnen und Arbeiterinnen sozialer Insekten haben dieselbe genetische Grundlage, unterscheiden sich aber stark in Lebensweise und Lebensdauer“, sagt Susanne Foitzik. „Dass infizierte Arbeiterinnen im Fettkörper teilweise ein königinnenähnliches molekulares Profil zeigen, deutet darauf hin, dass der Parasit an vorhandene biologische Programme der Ameise anknüpft.“ Das Ameisen-Bandwurm-System liefere daher ein geeignetes Modell, um zu untersuchen, wie Parasiten Alterung und Verhalten ihrer Wirte verändern können.

Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Daran beteiligt waren Susanne Foitzik, Giulia Blasi und Katharina Schwolow von der JGU sowie Hugo Darras von der Zhejiang University in Hangzhou, China.

Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Originalpublikation:

G. Blasi et al., Cestode infection is linked to transcriptional shifts in neuropeptide signalling and caste-specific ageing pathways in a social insect, BMC Genomics, 15. Juni 2026, DOI: 10.1186/s12864-026-12959-6, https://link.springer.com/article/10.1186/s12864-026-12959-6

Leben am energetischen Limit – Neues Rahmenkonzept zur mikrobiellen Genügsamkeit erklärt Anpassungen im Grundwasser

Wed, 22 Jul 2026 11:09:38 +0200

Grundwasserleitern, Gesteinsporen und tiefen Felsspalten leben gewaltige mikrobielle Gemeinschaften – ohne Sonnenlicht, mit nur wenigen Nährstoffen und am Rande des energetisch Möglichen. Wie diese Organismen unter solchen Bedingungen über lange Zeiträume bestehen können, fassen Prof. Dr. Kirsten Küsel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Sprecherin des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“, und Prof. Dr. Mark Dopson von der Linnaeus Universität in ihrer gemeinsamen Übersichtsarbeit zusammen.

Mikrobielle Genügsamkeit als neues Rahmenkonzept

Im Mittelpunkt der Arbeit steht das Konzept der „microbial frugality“, der mikrobiellen Genügsamkeit. Es beschreibt evolutionär entstandene Eigenschaften, die Mikroorganismen befähigen, ihren Energieverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren, verfügbare Ressourcen effizient zu nutzen und selbst unter chronischem Energiemangel dauerhaft zu überleben.

Für die Übersichtsarbeit werteten sie zahlreiche internationale Studien zu Grundwasserökosystemen aus und führten deren Ergebnisse in einem gemeinsamen konzeptionellen Rahmen zusammen. Dabei zeigte sich, dass Mikroorganismen weltweit ähnliche Anpassungen entwickelt haben, um unter dauerhaftem Energie- und Nährstoffmangel zu bestehen.
Leben am energetischen Limit

Viele Grundwasser-Mikroorganismen wachsen extrem langsam, nutzen unterschiedliche Energiequellen flexibel oder sind auf enge Stoffwechselpartnerschaften mit anderen Mikroorganismen angewiesen. Gleichzeitig verbleiben sie in einem energiesparenden Bereitschaftszustand, der es ihnen erlaubt, auf kurzzeitige Nährstoffeinträge sofort zu reagieren oder gespeicherte Energiereserven zu mobilisieren. Gemeinsam ermöglichen diese Eigenschaften ein dauerhaftes Leben unter Bedingungen, die lange Zeit als kaum bewohnbar galten.

„Grundwasser-Mikroorganismen leben dauerhaft am energetischen Limit“, erklärt Prof. Küsel. „Unsere Analyse zeigt, dass ihre evolutionären Anpassungen es ihnen ermöglichen, selbst unter chronischem Energiemangel über sehr lange Zeiträume aktiv zu bleiben. Dieses Prinzip beschreiben wir als mikrobielle Genügsamkeit.“

Bedeutung für Klima und Wasserressourcen

Die Bedeutung dieser Erkenntnisse reicht weit über die Mikrobiologie hinaus. Grundwasser ist das größte Reservoir flüssigen Süßwassers der Erde und versorgt weltweit Milliarden Menschen mit Trinkwasser. Gleichzeitig beeinflussen die dort lebenden Mikroorganismen zentrale Stoffkreisläufe: Sie binden Kohlenstoff, bauen Methan ab und steuern Umsetzungen von Stickstoff-, Schwefel- und Eisenverbindungen. Dadurch tragen sie wesentlich zur chemischen Stabilität von Grundwasserökosystemen und zur Regulierung klimarelevanter Gase bei.

Die Autoren sehen ihr Rahmenkonzept als wichtige Grundlage, um die Rolle des Grundwassers in globalen Stoffkreisläufen, für die Wasserqualität und im Klimasystem künftig besser zu verstehen.

„Diese Mikroorganismen gehören zu den verborgensten, aber zugleich wichtigsten Akteuren der Erde“, sagt Küsel. „Wer die Zukunft unserer Grundwasserressourcen verstehen und schützen möchte, muss auch die Lebensgemeinschaften berücksichtigen, die tief im Untergrund unter dauerhaftem Energiemangel existieren.“

Friedrich-Schiller-Universität Jena

Originalpublikation:

Kirsten Küsel, Mark Dopson, "Groundwater microbial communities across the terrestrial subsurface", Nature Microbiology, 2026, DOI: 10.1038/s41564-026-02427-y