Das Eiland der Riesenmäuse

Inseln sind ein Eldorado für Evolutionsforscher und Ökologen. Ein besonderer Effekt fasziniert schon lange: das Phänomen des Riesenwachstums ebenso wie die sogenannte Inselverzwergung von Tierarten. Warum werden manch kleine Arten im Laufe von einigen Generationen in isolierter Lage immer größer, während große Arten zusehends schrumpfen? Am Beispiel einer Population von Riesenmäusen einer abgelegenen Inselgruppe lüftete ein junger Forscher das Geheimnis jetzt ein Stück weit.

Mäuse ab zum Wiegen! Einer der Nager von den Färöer-Inseln mit "Normalgewicht" bringt sogar etwas mehr Gewicht auf die Waage als fünf unserer heimischen Hausmäuse. (Foto: Lutz Bunger)
Mäuse ab zum Wiegen! Einer der Nager von den Färöer-Inseln mit "Normalgewicht" bringt sogar etwas mehr Gewicht auf die Waage als fünf unserer heimischen Hausmäuse. (Foto: Lutz Bunger)

Glaubt man den Werbevideos der Reiseveranstalter, sind auf den Färöern im Nordatlantik nicht nur jede Menge Schafe und seltene Vogelarten zu Hause, sondern sogar Trolle und Feen. Die färöische Lieblingsspezies von Dr. Frank Chan vom Friedrich-Miescher-Laboratorium der Max-Planck- Gesellschaft in Tübingen indes kommt nicht im Video vor. "Die Mäuse hier sind etwa um die Hälfte größer als ihre auf dem Festland lebenden Artgenossen", berichtet der junge Biologe. Das Phänomen sei auch auf anderen Inseln zu finden, auf Gough im Südatlantik etwa, wo Mäusegiganten ganze Albatrosküken verspeisen. Auch das Gegenteil ist bekannt. So werden gerade besonders große Tierarten auf Inseln oft allmählich immer kleiner. Auf Madagaskar lebten früher Mini- Flusspferde, auf den Channel Islands vor Kalifornien winzige Graufüchse oder auf der russischen Wrangelinsel Wollhaarmammuts in Miniatur- Ausgabe. Das bekannteste Beispiel aber sind wohl die Zwergelefanten, die auf der Insel Borneo vorkommen. Anhand von Funden weiß man, dass sie nicht immer so klein waren. Im Übrigen – wichtig hinzuzufügen – gehen diese Schrumpfprozesse oder Anpassungen der Körpergröße nicht mit einem Verlust von Fähigkeiten einher.

"Vermutlich bedingen Verzwergung und Gigantismus sowie die fehlenden Feinde einander. Die extremen Maße bringen auf den Inseln einfach keine Vorteile", sagt Chan. Kleinere Mäuse könnten zwar vielfältigere Fluchtwege nutzen, doch das ist auf den Inseln schlicht nicht mehr erforderlich. Doch wie genau funktionieren Anpassung und Selektion? Welche Gene spielen eine Rolle, und wie werden diese gesteuert?


Dr. Frank Chan in seinem „Allerheiligsten“. In diesem Raum hält er jene Wildmäuse, deren Vorfahren er 2009 eigenhändig auf den Färöer-Inseln fing.
Dr. Frank Chan in seinem „Allerheiligsten“. In diesem Raum hält er jene Wildmäuse, deren Vorfahren er 2009 eigenhändig auf den Färöer-Inseln fing. Ende 2015 lebt hier bereits die neunte Generation. Foto: Cira Moro

Den dynamischen Wissenschaftler Frank Chan treiben solche Fragen schon länger um. Die (inzwischen beendete) Initiative "Evolutionsbiologie" der VolkswagenStiftung kam da gerade recht. Mit gehörig Rückenwind durch eine der begehrten Postdoktorandenförderungen brachte er 2009 sein Interesse umfassend auf Spur und holte als Erstes gleich einmal zwanzig färöische Mäuse in sein Labor – damals noch am Max-Planck-Institut für Evolutionsforschung in Plön gelegen. Außerdem untersuchte er das Erbmaterial von Labormäusen, die seit den 1970er Jahren und damit über eine Spanne von 150 Generationen künstlich auf Gigantismus gezüchtet worden waren und die mittlerweile zwei bis sechs Mal soviel wiegen wie normalgewichtige Tiere.

Nun kann ein Lebewesen nur so groß werden, wie seine Gene es zulassen – selbst wenn die Umweltbedingungen optimal sind. Körpergröße und -umfang sind also nicht beliebig variierbar. Beteiligt sind in jedem Fall mehrere Gene, das ist schon länger bekannt. Doch welche? Und: Wie wirken sie gegebenenfalls zusammen? Chan setzte es sich zum Ziel, die für die Riesenmaße der Mäuse verantwortlichen Gene zu identifizieren. Dazu untersuchte er zum einen sieben sich klar voneinander unterscheidende Stämme der im Labor gezüchteten Mäusegiganten.

"Wir fanden immerhin 67 Regionen im Erbgut, die bei allen Stämmen mit einer Gewichtszunahme korrelierten", berichtet er. Die solchermaßen identifizierten Regionen steuern den Energiehaushalt, Stoffwechselvorgänge und das Wachstum. Andere sind zumindest indirekt für Größe und Körpergewicht verantwortlich – beispielsweise jene, die die Fettzellenbildung und die Geschmacks- und Duftwahrnehmung regulieren. Die neuen Funde wurden 2012 im Fachblatt Current Biology veröffentlicht und erregten weltweit Aufmerksamkeit.

 

 


Der Entdeckung der "Gigantismus-Gene" folgt ein Mäusestammbaum über Hunderte Jahre

Die meisten der für die Labormäuse charakterisierten mutmaßlichen "Gigantismus-Gene" fand Frank Chan auch im Erbgut der färöischen Riesenmäuse, mit denen er noch in Plön die entscheidenden Experimente machte. Er paarte sie mit kleineren Labormäusen über zwei Generationen hinweg und erhielt schließlich die sogenannte F2-Generation: Enkelinnen und Enkel, insgesamt 830 Individuen – unter ihnen kleinere und größe- re, dickere und dünnere Tiere, allesamt Cousins und Cousinen zueinander. "Die Karten wurden sozusagen neu gemischt", erklärt Chan. Mittlerweile ist es ihm gelungen, mit seinem neuen Tübinger Forscherteam die Gene dieser Tiere zu analysieren und deren Lage im Chromosom zu bestimmen. Zudem hat er eine Vielzahl weiterer äußerer Merkmale festgehalten, von der Größe über das Gewicht bis zur Schnauzenform.

Das Ergebnis ist ein riesiger Datenschatz, mit dessen Hilfe sich die Vererbung spezifischer Eigenschaften wie in einem Familienstammbaum zurückverfolgen lässt. Außerdem gelang es dem engagierten Forscher, über eine Simulation die Entwicklung der Riesenmäuse rückwärts auf der Zeitachse abzubilden. Am Ende stieß er auf etwas Überraschendes. "Die Mäuse haben danach in weniger als tausend Jahren um rund die Hälfte ihres ursprünglichen Gewichts zugenommen", berichtet er. Manche seien annähernd doppelt so schwer wie eine normale europäische Kontinentalmaus. Im Vergleich zu anderen evolutionären Prozessen, die oft Millionen Jahre bräuchten, sei das bezogen auf den Zeitraum eine ausgesprochen rasante Entwicklung.


Aufnahme einer Maus mit Riesenwuchs mittels Mikro-Computertomografie.
Aufnahme einer Maus mit Riesenwuchs mittels Mikro-Computertomografie. Foto: Cira Moro

Die Untersuchungen lieferten – beinahe nebenbei – eine weitere Überraschung. "Die Mäuse der Färöer wurden lange als eigene Untergattung angesehen", berichtet der Biologe. "Doch Genanalysen zeigen, dass es sich um einen Mix aus zwei in Europa verbreiteten Mäusegattungen handelt: Mus musculus musculus und Mus musculus domesticus." Das folgenreiche Aufeinandertreffen der beiden Arten fand Simulationen zufolge vor etwa 650 bis 350 Jahren statt. Ein Szenario, das gut zu historischen Daten passt. Denn bis 1380 kontrollierten Wikinger das Archipel; sie brachten aus ihrer Heimat Norwegen vermutlich die Domesticus-Variante mit. Dann übernahmen Dänen die Inselgruppe und mit ihnen reisten offenbar die vor allem in der Kopenhagener Region verbreiteten Musculus-Mäuse ein. Beide Gattungen zeugten problemlos miteinander Nachwuchs – anders als das eben auf dem Festland möglich ist, wo beide Arten streng voneinander getrennt vorkommen.

"Auf der Insel konnten sich die reinen Arten wegen der vermutlich geringen Zahl eingeschleppter Ausgangstiere nur durch Inzucht vermehren und profitierten vom frischen Erbgut der anderen Art", vermutet Chan. Die Mäusemischlinge waren offenbar robuster und weniger anfällig für Krankheiten und haben sich schließlich durchgesetzt. Gut ein Jahrhundert nach der Entdeckung der inselgebundenen Riesenmäuse (1904) weiß man nun einiges über deren Hang und Drang zum Gigantismus – und auch, dass seit Hunderten Jahren ein gleichsam unsichtbares Tauziehen zwischen immer wieder anders zum Zuge kommenden Genen und Gensequenzen zweier Unterarten dieses Nagers stattfindet, das zur Patchwork-Maus auf den Färöern geführt hat. Warum die Tiere jedoch derart schnell so groß wurden, weiß man nicht.


Der "Initiative Evolutionsbiologie" der Stiftung als Karrierebeschleuniger

2009 hatte sich Frank Chan länger zu Forschungszwecken auf den Inseln hoch im Norden aufgehalten und Mäuse von dort mitgebracht. (Foto: Cira Moro)
2009 hatte sich Frank Chan länger zu Forschungszwecken auf den Inseln hoch im Norden aufgehalten und Mäuse von dort mitgebracht. (Foto: Cira Moro)

In einem ganz anderen Sinne "groß" wurde im Übrigen auch Frank Chan. Denn das von der Stiftung geförderte Projekt gab nicht nur dem einzigartigen Forschungsthema einen kräftigen Schub, sondern auch Chans wissenschaftlicher Karriere. Der aus Hongkong stammende Wissenschaftler reüssierte in der Max-Planck-Gesellschaft schnell vom Postdoktoranden zum Leiter einer eigenen Forschergruppe. Seit zwei Jahren arbeitet er nun bereits am renommierten Friedrich-Miescher- Laboratorium (FML), das 1969 von der Max-Planck- Gesellschaft zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses gegründet wurde.

Das Laboratorium, das eng mit den benachbarten Max-Planck-Instituten für Entwicklungsbiologie und biologische Kybernetik verwoben ist, bietet herausragenden jungen Forscherinnen und Forschern die Möglichkeit, über einen Zeitraum von mehreren Jahren eine Arbeitsgruppe aufzubauen, eigene Projektideen zu verwirklichen und damit eine unabhängige Karriere zu starten. Die Forschungsthemen sind breit gefächert und wechseln mit der Berufung neuer Gruppenleiter. Zurzeit arbeiten fünf solch handverlesener Wissenschaftlerteams am FML – alle im Übrigen ausgesprochen erfolgreich im Einwerben von Drittmitteln: ob von nationalen oder internationalen Geldgebern. Chan, dessen Arbeitsgruppe den Titel "Adaptive Dynamik des Genoms" trägt, untersucht mit seinem Team inzwischen in größerer Breite, wie Genveränderungen in Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen mechanistisch zustande kommen.

Dass man mit Frank Chan offenbar dem Richtigen in jungen Jahren wissenschaftliche Verantwortung übertragen hat, stellte er erst jüngst wieder unter Beweis. 2015 erhielt er den Zuschlag für ein hoch dotiertes EU-Projekt. "Der Europäische Forschungsrat ERC hat uns eine Förderung von anderthalb Millionen Euro über fünf Jahre zugesagt", ist er sichtlich stolz. Mit solch einem ERC Starting Grant soll die wissenschaftliche Eigenständigkeit von Spitzenforschern in Europa zu einem frühen Zeitpunkt ihrer Karriere gefördert werden. "Damit", freute sich Chan bei der Bekanntgabe, "können nun die Untersuchungen zu meinem Spezialthema, das mit den Riesenmäusen seinen Anfang nahm, in die nächste Runde gehen."


Interessantes Zuhause: Die Wildmäuse von den Färöer-Inseln leben in Frank Chans Labor in Eierpappen. (Foto: Cira Moro)
Interessantes Zuhause: Die Wildmäuse von den Färöer-Inseln leben in Frank Chans Labor in Eierpappen. (Foto: Cira Moro)

Mit seinem Team will er jetzt zunächst einzelne, zuvor identifizierte Genabschnitte im Nagergenom ersetzen, um die bisherigen Funde abzusichern und mehr Klarheit im Detail zu gewinnen. Ziel ist es, Punkt für Punkt herauszufinden, wie sich das Erbgut der Mäuse im Laufe von drei Millionen Jahren verändert hat und inwieweit diese Veränderungen verwandte Mausarten voneinander trennen – oder auch nicht. In der Vergangenheit stellte das für die Forscher eine besondere Herausforderung dar, da gerade jene Erbfaktoren, die sich für Spezifizierungen eignen, nicht gattungsübergreifend funktionieren. Der Grund: Die Nachkommen aus Verpaarungen verschiedener Tiergattungen oder der meisten Tierarten sind selbst nicht fortpflanzungsfähig – man kennt das von Muli oder Maultier als Resultat einer Verpaarung von Pferd und Esel.

Chan will diese Schwierigkeiten beiseiteräumen. Er nutzt die neuesten Techniken der Stammzell- und Entwicklungsbiologie, um die Gene der Mausarten optimal analysieren zu können. "Wir werden uns damit beschäftigen, welche genetischen Veränderungen zur Entstehung einer Art beitragen, aber dieses Projekt hat auch das Potenzial, Behandlungsmethoden gegen Unfruchtbarkeit zu finden", wirft er mutig den Blick voraus. Für ihn ist das Thema eben noch längst nicht ausgereizt, auch weil Verzwergung und Gigantismus nur ein Beispiel für genetische Anpassungsprozesse sind.

Die Ergebnisse seiner Forschung spielen deshalb auch für das Leben auf dem Festland eine wichtige Rolle, wo rasante Umweltveränderungen wie der Klimawandel enorme Anpassungsleistungen von allem Lebendigen bereits jetzt erfordern – eine Entwicklung, die sich möglicherweise noch verstärkt. Unter Umständen könnten die Erkenntnisse sogar helfen abzuschätzen, was geschieht, wenn Ökosysteme etwa durch klimatische Veränderungen regelrecht durcheinander geraten, sagt er: "Mal sehen, was wir aus dem 'Gesetz der Insel' noch alles ableiten werden!"


Text: Andrea Hoferichter // Fotos: Cira Moro