Den wahren Wert der metabolischen Effizienz ermitteln
Anhand der Stoffwechselrate wird gemessen, wie effizient ein Organismus Nahrung und Sauerstoff in Energie umwandeln kann. Es handelt sich im Wesentlichen um die Energiekosten für die Ausführung grundlegender Funktionen und gilt als ein zentrales Merkmal, das die Physiologie eines Organismus mit seiner Ökologie und Lebensgeschichte in Verbindung bringt. Die Kenntnis der Stoffwechselrate im Vergleich zu anderen Organismen in einer Population hilft uns zu verstehen, welche Konsequenzen mit einer solchen Variation verknüpft sind. Beispielweise wird deutlich, ob eine höhere Stoffwechselrate vorteilhaft oder kostspielig ist, und wie Umwelt, Gesellschaft und weitere Umstände in die Gleichung einfließen. „Dadurch können wir besser verstehen, warum diese Variation fortbesteht, was ansonsten sehr rätselhaft ist“, erklärt Neil Metcalfe(öffnet in neuem Fenster), Professor für Verhaltensökologie an der Universität Glasgow. „Wie kann es hilfreich sein, wenn die ‚Lebenserhaltungskosten‘ womöglich doppelt so hoch sind wie bei anderen?“ Ungeachtet dieser Bedeutung wird in empirischen Studien nur selten die genaue Stoffwechselrate von Organismen in freier Wildbahn (die Rate der Produktion von Adenosintriphosphat (ATP)) gemessen. Denn das ist komplex und erfordert teure Ausrüstungen. Die meisten Forschungsarbeiten erfassen sie stattdessen auf indirekte Weise über den Sauerstoffverbrauch der Tiere, ein nützlicher, aber möglicherweise ungenauer Indikator. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts MitoWild verfeinerten und entwickelten Metcalfe und sein Team einen Ansatz zur direkten Messung der Stoffwechselrate.
Den Stoffwechsel über die Mitochondrien vermessen
Das MitoWild-Team warb für die Idee einer direkteren und intuitiveren Messung der Effizienz der Sauerstoffnutzung durch die Mitochondrien, jener Strukturen in den Zellen, die ATP produzieren, unter Einsatz einer anderen Berechnung. Bei dieser Methode wird die metabolische Effizienz als Prozentsatz ausgedrückt, sodass die Effizienz theoretisch von 0 bis 100 % variiert (wobei 100 % bedeuten würde, dass 100 % des von den Mitochondrien verbrauchten Sauerstoffs zur Erzeugung von ATP dient und nichts verloren geht). „Auch wenn dieser Wert von 100 % niemals erreichbar ist, ist eine Skala, die zwischen 0 und 100 liegt, viel einfacher als die frühere alternative Berechnung zu interpretieren, bei der es keine Obergrenze gab“, fügt Metcalfe hinzu. Das Team erprobte seine Methode in Studien an einer Reihe von Süßwasserfischarten wie Bachforelle, Lachs, Stichling und Elritze, um die potenziellen Auswirkungen der Stoffwechselrate eines Fisches auf seine Fähigkeit, aerobe Arbeit zu leisten, zu bestimmen.
Neue Erkenntnisse über metabolische Variation
Die wichtigsten Ergebnisse des Projekts besagten, dass die Effizienz der ATP-Produktion durch die Mitochondrien in den Muskeln oder in der Leber die Leistung in einer Reihe von Kontexten vorhersagt. „Beispielsweise waren einzelne Fische mit leistungsfähigeren Mitochondrien in der Lage, besser um Reviere zu kämpfen, bei Wettkämpfen eher zu dominieren, ihre Brutpflege zu optimieren und die Zeit für die Futtersuche zu minimieren“, erklärt Metcalfe. In anderen Zusammenhängen war die ATP-Produktion jedoch kein Prädiktor für die Leistung. „Wir verstehen immer noch nicht, warum das so ist – und im Allgemeinen schien es keine eindeutigen Kosten für effizientere Mitochondrien zu geben – theoretisch eine schnellere Alterung zu verzeichnen sein, aber der Beweis dafür war nicht eindeutig“, fügt er hinzu.
Anregungen für zukünftige Erforschung der mitochondrialen Effizienz
Das Team hofft, dass seine Arbeit andere Forscherinnen und Forscher dazu inspirieren wird, die mitochondriale Effizienz in weiteren Studiensystemen zu erkunden, zum Beispiel bei anderen Arten oder innerhalb anderer Kontexte. „Dies wird zeigen, ob diese Ergebnisse für das gesamte Tierreich verallgemeinerbar sind“, stellt Metcalfe fest.
