Name: microbial adaptation in changing environments
Uploaded: 2026-03-12T13:57:34.000Z
Duration: 1 min 24 s
Channel: JoVE

Mikroben entwickeln sich schnell aufgrund kurzer Generationszeiten und großer Populationsgrößen, was sie ideal macht, um Evolution im Labor zu studieren.Die natürliche Selektion wirkt auf die vorhandenen Allelvarianten in der Population ein und macht Gruppen mit hilfreichen Varianten in wechselnden Umgebungen zahlreicher.Beispielsweise nutzt Rhodobacter unter anaeroben Bedingungen Licht zur Photosynthese und verwendet dabei die Pigmente Bakteriiochlorophyll und Carotinoide.Bei längerer Dunkelheit haben Rhodobacter-Pigmente wenig Nutzen und begünstigen pigmentarme Mutanten in der Population. Doch der Wildtyp dominiert, sobald das Licht zurückkehrt.Ein weiteres Beispiel ist das laufende 'Long-Term Evolution Experiment'. Sie wurde 1988 mit 12 identischen Populationen von E. coli gegründet, die in einer glukosearmen Umgebung wachsen.Seitdem hat dieses Experiment mehr als 80.000 Generationen verfolgt.Im Laufe der Zeit erlitt eine E.-coli-Population eine seltene Mutation. Und es ermöglichte dieser Population, Citrat unter sauerstoffreichen Bedingungen zu metabolisieren.Diese Mutation verschaffte Zugang zu einer neuen Nährstoffquelle und einen Wettbewerbsvorteil gegenüber ihren Vorfahren.

entwicklung neuer eigenschaften bei mikroben

Mikroorganismen entwickeln sich aufgrund ihrer großen Populationsgrößen und kurzen Generationszeiten schnell und zeigen unter Laborbedingungen oft messbare Veränderungen innerhalb von Tagen. Die natürliche Selektion wirkt auf bestehende genetische Variation und ermöglicht das Behalten und Verstärkung vorteilhafter Eigenschaften, die Fitnessvorteile in sich verändernden Umgebungen bringen.<h3>Adaptive Pigmentregulation bei Rhodobacter</h3>Bei Rhodobacter, einer Gattung purpur, schwefelfreier Bakterien, ermöglichen lichterntende Pigmente wie Bakteriiochlorophyll und Carotinoide die Photosynthese unter anaeroben, beleuchteten Bedingungen. Die Expression dieser Pigmente wird streng durch den Sauerstoff- und Lichtspiegel in der Umgebung reguliert, um mit der photosynthetischen Aktivität in Einklang zu kommen.Im Dunkeln bieten die Pigmente jedoch keinen funktionalen Nutzen und verursachen stattdessen eine energetische Belastung. Infolgedessen entstehen Mutanten, denen diese Pigmente fehlen, und sie werden unter dunklen Bedingungen aufgrund der geringeren Stoffwechselkosten bevorzugt. Dennoch werden diese pigmentarmen Mutanten bei der Wiederverfügbarkeit von Wildtyp-Zellen, die zur Photosynthese fähig sind, verdrängt.Dieses Muster der reversiblen Selektion zeigt einen adaptiven Kompromiss, bei dem Umweltschwankungen das Gleichgewicht zwischen metabolischer Effizienz und Energiegewinnung verschieben.<h3>Langzeitevolutionsexperiment bei E. coli</h3>Ein weiteres markantes Beispiel für mikrobielle Evolution ist das Long-Term Evolution Experiment (LTEE), das 1988 von Richard Lenski initiiert wurde. Diese laufende Studie hat Populationen von Escherichia coli in einem glukosebeschränkten Medium über über 80.000 Generationen hinweg verfolgt. Im Laufe der Zeit haben diese Linien verschiedene Anpassungen entwickelt, darunter eine vergrößerte Zellgröße, schnellere Wachstumsraten und optimierte Stoffwechselwege.<h3>Entwicklung der Citratnutzung</h3>Am bemerkenswertesten ist, dass eine Linie die Fähigkeit entwickelte, Citrat unter aeroben Bedingungen zu metabolisieren – ein Merkmal, das typischerweise bei Wildtyp-E. coli fehlt, da Citrat in Anwesenheit von Sauerstoff nicht importiert werden kann. Diese Innovation ermöglichte es dem Mutantenstamm, eine sonst unzugängliche Ressource auszunutzen und so einen erheblichen Selektionsvorteil zu erlangen.Genetische Analysen zeigten, dass dieses Merkmal durch eine Reihe von Mutationen entstand – zunächst wurde das Potenzial für Citratnutzung (Potenzierung) festgestellt, gefolgt von Mutationen, die die tatsächliche Expression und den Transport (Aktualisierung) ermöglichten. Diese Erkenntnis verdeutlicht das Zusammenspiel von Kontingenz, Mutation und natürlicher Selektion in der evolutionären Innovation.Zusammen zeigen diese Studien, wie mikrobielle Systeme als dynamische Modelle zur Echtzeitbeobachtung evolutionärer Prozesse dienen. Sie zeigen sowohl deterministische Kräfte als auch stachastische Ereignisse, die biologische Vielfalt und Innovation vorantreiben.

Entwicklung neuer Eigenschaften bei Mikroben

Microorganisms evolve rapidly due to their large population sizes and short generation times, often exhibiting measurable changes within days under ...

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Lehre

JoVE Core

Microbiology

Mikrobiologie

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Einheit

Microbial Evolution

Mikrobielle Evolution

KEY TERMS AND CONCEPTS

SCHLÜSSELBEGRIFFE UND KONZEPTE

Evolution of New Traits in Microbes

microbial adaptation in changing environments

Microbial adaptation in changing environments can happen very quickly. Microorganisms often evolve fast because they have large population sizes and short generation times. In the lab, these changes can sometimes be measured within days.

Natural selection acts on standing genetic variation, which is the genetic diversity already present in a population. When conditions change, helpful traits can be kept and increased because they improve fitness. This lets microbes respond to new pressures without waiting for brand-new mutations.

One example is Rhodobacter, a group of purple non-sulfur bacteria. These cells use light-harvesting pigments such as bacteriochlorophyll and carotenoids to support photosynthesis when oxygen is low and light is available. Their pigment production is tightly controlled by oxygen and light levels.

In darkness, those pigments no longer help the cells. They also cost energy to make and maintain. Because of that cost, mutants that lose the pigments can be favored in the dark. When light returns, wild-type cells that can photosynthesize again outcompete the pigment-deficient mutants. This is a reversible selection pattern that shows a trade-off between saving energy and capturing light.

A second major example is the Long-Term Evolution Experiment, or LTEE, started by Richard Lenski in 1988. The study has followed Escherichia coli grown in a glucose-limited medium for more than 80,000 generations. Over time, these lineages evolved changes such as larger cell size, faster growth, and better metabolic pathways.

The best-known LTEE result is one lineage that gained the ability to use citrate under aerobic conditions. Wild-type E. coli usually cannot import citrate when oxygen is present, so this trait opened access to a new food source. Genetic analysis showed that the trait appeared through a series of mutations. First came potentiation, which created the potential for citrate use. Then later mutations enabled actualization, or the real expression and transport of citrate.

Together, these microbial studies show evolution in real time. They highlight how mutation, natural selection, chance, and environmental change can work together to create new traits and shape biological diversity.

Microbial Adaptation in Changing Environments

microbial-adaptation-in-changing-environments

origin of cellular life

How Early Cells Got Their Start

Early cellular life began under the harsh conditions of early Earth, where simple chemicals could form more complex organic molecules. Experimental evidence supports the idea that RNA nucleotides, amino acids, and lipids could arise spontaneously in this environment. Volcanic activity, strong UV radiation, and an atmosphere with little or no free oxygen likely helped drive these reactions. Hydrothermal vents on the ocean floor are considered one likely setting for the first life forms. These...

origin of photosynthesis

How Photosynthesis Changed Earth

Photosynthesis changed Earth’s atmosphere and made complex life possible. It began about 3.4 to 3.8 billion years ago, when the first photosynthetic organisms used light energy to build organic compounds. These early organisms were anoxygenic phototrophs, which means they made food from light but did not release oxygen. Early photosynthesis used hydrogen sulfide (H2S) or ferrous iron (Fe2+) as electron donors instead of water. Because of that, it did not produce molecular oxygen (O2) as a...

evolutionary processes in microbes

How Microbes Gain New Traits

Microbes gain new traits through fast genetic change. Their short generation times help evolution happen quickly. Mutation, horizontal gene transfer, recombination, and genetic drift all contribute to this process. Together, these mechanisms help microbial populations adjust to changing environments. Horizontal gene transfer, or HGT, moves genes between different species. It happens in three main ways: conjugation, transformation, and transduction. Conjugation requires direct cell-to-cell...

evolution of new traits in microbes

Microbial adaptation in changing environments can happen very quickly. Microorganisms often evolve fast because they have large population sizes and short generation times. In the lab, these changes can sometimes be measured within days. Natural selection acts on standing genetic variation, which is the genetic diversity already present in a population. When conditions change, helpful traits can be kept and increased because they improve fitness. This lets microbes respond to new pressures...

evolution of microbial genome

Microbial Core and Pan-Genome Changes

Microbial genomes change through gene gain and gene loss. These changes help microbes adapt to new environments and to other organisms they live with. In many species, genome evolution is fast and ongoing. A key idea is the difference between the core genome and the pan-genome. The core genome is the set of genes shared by all sampled strains of a species. These genes support basic cell functions. For example, Salmonella enterica has about 2,800 core genes, although the exact number can change...

microbial phylogeny

Reading Microbial Family Trees

Reading microbial family trees helps scientists study how microorganisms are related. These trees are important in microbial ecology and taxonomy. They use molecular sequences such as DNA, RNA, or proteins to compare bacteria and archaea and trace genetic changes over time. A phylogenetic tree has tips, branches, and nodes. The tips are the species that are sampled or still alive. The branches show evolutionary paths, and branch length reflects the number of genetic changes between nodes.

phylogenetic species concept in microbiology

phylogenetic-species-concept-in-microbiology

How DNA Defines Microbial Species

The phylogenetic species concept helps define microbial species by looking at DNA and evolutionary relatedness. It focuses on shared ancestry and genetic traits that can be diagnosed in different organisms. This approach is especially useful in microbiology, where other species concepts often do not work well. Traditional morphological and biological species concepts rely on body form or reproduction. Those methods can fall short for microbes because many reproduce asexually, show little...

key terms and concepts

See how microbes adapt through natural selection, pigment changes in Rhodobacter, and the E. coli LTEE, including the evolution of citrate use.

Microbial Adaptation in Changing Environments | JoVE K12

JoVE Core Microbiology provides an engaging introduction to the microbial world and its influence on health, industry, and the environment. This comprehensive collection covers key concepts such as microbial structure, metabolism, genetics, and ecology. It introduces essential laboratory techniques and microscopy methods through visually engaging animations. Corresponding scientist-in-action videos bridge classroom concepts with real-world research and applications.

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Microbial Adaptation in Changing Environments

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