Seltene Moleküle als zentrale Steuerungsfaktoren in Lebensgemeinschaften
Dr. Erika C. Freeman vom Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) beschreibt in einem aktuellen Beitrag in Trends in Ecology & Evolution, wie selten vorkommende Moleküle eine maßgebliche Rolle in der Organisation und Funktion von Ökosystemen einnehmen können. Trotz ihrer geringen Konzentration entfalten diese Moleküle oft eine überproportionale Wirkung auf gesamte Lebensgemeinschaften.
Beispiele für die Wirkung seltener Moleküle
Freeman verweist auf die Abwehrstoffe, sogenannte Alderene, der kalifornischen Meeresschnecke Alderia harvardiensis. Diese Substanzen beeinflussen die Zusammensetzung der Tiergemeinschaften im Watt erheblich. Ein weiteres Beispiel stellt Serotonin dar, das als Neurotransmitter bekannt ist, jedoch auch im Wurzelbereich der Rutenhirse das Bodenmikrobiom moduliert.
„Diese Beispiele zeigen, dass chemische Verbindungen, die nur in geringer Menge vorhanden sind, eine wichtige Rolle in ökologischen Prozessen spielen. Bisher lag der Fokus der Forschung eher auf häufig vorkommenden Molekülen“, erläutert Freeman, die die Forschungsgruppe „Aquatische Biogeochemie des Kohlenstoffs“ am IGB leitet. Ihr Artikel bietet einen methodischen Ansatz, um solche Schlüsselmoleküle systematisch in verschiedenen Ökosystemen zu identifizieren.
Konzept der Schlüsselmoleküle im ökologischen Kontext
Der Begriff „Schlüsselmolekül“ orientiert sich am Konzept der „Schlüsselarten“, das 1969 von Robert Paine eingeführt wurde. Paine zeigte, dass das Entfernen einer einzigen Seesternart eine ganze Küstengemeinschaft destabilisieren kann. Freeman überträgt dieses Prinzip auf die Chemie und postuliert, dass seltene Moleküle mit herausragender Wirkung zentrale Rollen in ökologischen Netzwerken einnehmen können.
Bereits 2007 prägten Richard Zimmer und Ryan Ferrer den Begriff „Schlüsselmoleküle“ und veranschaulichten dessen Bedeutung anhand konkreter Beispiele. Freeman betont jedoch, dass bislang systematische Nachweise für die Wirkung solcher Moleküle in natürlichen Gemeinschaften sowie praktikable Identifikationsmethoden fehlten. Aktuelle Studien liefern nun beide Aspekte.
Untersuchungen zu Alderenen und Serotonin
- In einer Studie wurde die Wirkung der von Alderia harvardiensis produzierten Alderene analysiert. Obwohl diese Moleküle nur etwa 0,1 % des Körpergewichts der Schnecken ausmachen, verändern sie die Zusammensetzung der Tiergemeinschaft im Watt über mehrere Tierstämme hinweg, indem sie bestimmte Arten abwehren und andere anziehen.
- Eine weitere Untersuchung zeigte, dass unter Stickstoffstress seltene Metaboliten wie Serotonin und Ectoin in den Wurzeln der Rutenhirse als Schlüssel-Signale das Wurzelmikrobiom umgestalten.
Kriterien zur Identifikation von Schlüsselmolekülen
Freeman definiert vier wesentliche Merkmale, die ein Schlüsselmolekül auszeichnen:
- Seltenheit des Moleküls innerhalb des Ökosystems
- Deutliche Wirkung auf ökologische Prozesse
- Effekte, die über ein einzelnes Ziel hinausgehen
- Unersetzbarkeit durch andere Moleküle
Zur Identifikation solcher Moleküle empfiehlt sie den Einsatz moderner Techniken wie Netzwerkanalysen hochauflösender Massenspektrometriedaten, Experimente mit vereinfachten künstlichen Ökosystemen sowie maschinelles Lernen.
Neue Perspektiven auf ökologische Zusammenhänge
„Lange Zeit wurde angenommen, dass die häufigsten Moleküle auch die wichtigsten sind“, erklärt Freeman. „Die aktuellen Erkenntnisse zeigen jedoch, dass selbst äußerst seltene Moleküle ganze Gemeinschaften stabilisieren können – ähnlich wie einzelne seltene Tierarten ein Ökosystem prägen. Die gezielte Suche nach diesen wenigen wirkungsvollen Molekülen eröffnet neue Einblicke in die Funktionsweise der Natur.“
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Dr. Erika Freeman, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB): https://www.igb-berlin.de/profile/erika-freeman
Originalpublikation
Erika C. Freeman,
Rare molecules as community architects,
Trends in Ecology & Evolution, 2026,
ISSN 0169-5347,
https://doi.org/10.1016/j.tree.2026.07.001
Weiterführende Informationen
https://www.igb-berlin.de/news/wenige-kleine-mit-wirkung-aufs-grosse-ganze
