Inseln der Evolution

Weshalb entstehen aus einer Tierart zwei, ohne dass die Lebensräume beider Arten – etwa durch tektonische Verwerfungen oder einbrechendes Wasser – voneinander getrennt werden? Solche Vorgänge laufen sogar im offenen Meer ab, aber auch anderswo. Bei der Suche nach Antworten auf diese Frage helfen Buntbarscharten, Salamander vor unserer Haustür oder Echsen auf Inseln, die eigentlich Berge sind. Eine Geschichte darüber, wie Arten entstehen – ohne scheinbar triftigen Grund.

Dr. Olivia Roths beim Fang ihres Modellorganismus, der Seenadel, in der Kieler Förde. Ebenso wie ihre – mit einem "Europamodul-Projekt" angedockte – Forscherkollegin Dr. Marta Barluenga arbeitet sie aber auch an Barschen. (Foto: Christoph Edelhoff)
Dr. Olivia Roths beim Fang ihres Modellorganismus, der Seenadel, in der Kieler Förde. Ebenso wie ihre - mit einem "Europamodul-Projekt" angedockte – Forscherkollegin Dr. Marta Barluenga arbeitet sie aber auch an Barschen.
(Foto: Christoph Edelhoff)

Etwa 10.000 bis 20.000 Jahre alt sind zwei Vulkankraterseen in Nicaragua, der Xiloá und der Apoyo. In diesen geologisch jungen und recht kleinen Seen leben Fische, die der Schlüssel zum Verständnis sympatrischer Artbildung sein könnten, bei der sich eine Art in zwei neue "aufspaltet", ohne dass die Lebensräume der neuen Arten voneinander getrennt sind. Bereits seit zehn Jahren erforscht Dr. Marta Barluenga vom Museo Nacional de Ciencias Naturales in Madrid diese Prozesse: "Innerhalb des Xiloá und Apoyo sind ohne räumliche Trennung in sehr kurzer Zeit neue Buntbarscharten entstanden, die lediglich in unterschiedlichen Zonen desselben Sees leben."

Die Erforschung dieses ungewöhnlich schnell verlaufenden Artbildungsprozesses fördert die Stiftung als "Kooperationsmodul Europaförderung", angebunden an die Projektarbeiten von Dr. Olivia Roth vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Sie ist Partnerin in dem spanisch-deutschen Verbundvorhaben "The Driving Forces For Sympatric Speciation in Nicaragua Crater Lake Cichlids".

Anpassungsfähige Fische

Gehen wir 20.000 Jahre zurück: Die Vulkane sind erloschen, die Krater zwischen Nicaragua- und Managuasee füllen sich mit Wasser. Durch Stürme und tektonische Aktivität entstehen für kurze Zeit Verbindungen zwischen den großen Seen und den Kratern. Damit gelangen Fische in die Kraterseen. Statt im trüben, flachen Süßwasser schwimmen sie nun in leicht salzigem, sehr tiefem und klarem Wasser. Unter den Fischen befinden sich auch Midas-Buntbarsche, die als Generalisten gelten. Und nun geht alles sehr rasant – aus Evolutionsbiologensicht. Einige Fischarten überleben nicht. Andere haben sich bis heute nicht verändert. Einzig beim Midas-Buntbarsch erfolgte eine Anpassung an die veränderten Lebensbedingungen: Sowohl im Kratersee Xiloá als auch im Apoyo-See enstanden aus einer Hauptart jeweils drei neue Arten. Diesen Prozess versuchen die Forscherinnen zu verstehen: Weshalb haben sich die Midas-Buntbarsche so schnell angepasst und alle anderen Fischarten nicht, obwohl sie unter exakt denselben Bedingungen dorthin gekommen sind?

Olivia Roth erkennt schon an Körperbau und Kieferform, dass es sich bei Amphilophus amarillo, Amphilophus xiloaensis und Amphilophus sagittae im Xiloá-See um drei Arten handeln muss mit unterschiedlichen Ansprüchen an Lebensraum und Ernährung. Gleiches gilt für Amphilophus astorquii, Amphilophus chancho und Amphilophus zaliosus im Apoyo-See. Die einen leben auf dem Grund, andere frei im Wasser schwimmend oder inmitten von Wasserpflanzen. Ziehen die Forscher jedoch ein Netz an beliebiger Stelle durch das Wasser, finden sie darin stets alle drei Arten vor.

Auf der Suche nach auslösenden Faktoren hat Marta Barluenga den Rotlichtanteil im Lichtspektrum des Wassers im Visier, der mit zunehmender Tiefe abnimmt. Sie analysiert jenes Gen, das bei den Fischen den Proteinanteil des Sehpigments Opsin für die Farbe Rot kodiert. Erste Ergebnisse im Vergleich der Arten deuten einen Zusammenhang an zwischen dem Lichtspektrum des Lebensraumes und der für das Sehpigment einer jeweiligen Fischart kodierenden Gensequenz.

Olivia Roth hat Vergleichbares zu berichten: Sie wies nach, dass sich die Besiedlung der Haut der Buntbarsche mit Mikroorganismen zwischen den Arten eines Sees und je nach See unterscheidet. "Jetzt analysiere ich das Mikrobiom von Haut und Darm der einzelnen Barscharten mit Blick auf Lebensraum und Nahrungsquelle." Sowohl hinter der Opsin- als auch der Mikrobiom-Analyse steckt die Frage: Sind die Veränderungen Auslöser für die Aufspaltung oder lediglich deren Folge? Den Weg zur Antwort pflastern Tausende noch zu untersuchende Proben, die die Forscherinnen von ihren Expeditionen nach Nicaragua mitgebracht haben.


Auch Katharina Wollenberg-Valero will herausfinden, wann eine Art unter welchen Bedingungen anfängt, sich in zwei neue aufzuspalten. Ihre Untersuchungsobjekte: Dickkopf-Anolis-Echsen. Mit aller Vorsicht wirft die Biologin einen ersten Blick auf ein für
Auch Katharina Wollenberg-Valero will herausfinden, wann eine Art unter welchen Bedingungen anfängt, sich in zwei neue aufzuspalten. Ihre Untersuchungsobjekte: Dickkopf-Anolis-Echsen. Mit aller Vorsicht wirft die Biologin einen ersten Blick auf ein für kurze Zeit gefangenes Exemplar, bevor dann weitere Untersuchungen anstehen. (Foto: Miguel Landestoy)

Isolation führt zur Artentwicklung

Ob Kratersee in Mittelamerika oder Berglandschaft in der Karibik, sympatrische Artbildung ist ein "Inselphänomen". Allerdings ist hier der Begriff "Insel" nicht im landläufigen, lexikalischen Sinne zu verstehen – die Insel als eine in einem Meer oder Gewässer liegende, auch bei Hochwasser über den Wasserspiegel hinausragende Landmasse, die vollständig von Wasser umgeben, jedoch kein Kontinent ist. Für Evolutionsforscher können Inseln auch Areale sein, auf oder in denen Prozesse jeweils ähnlich ablaufen: eben zum Beispiel die Entstehung von Arten. Die Kraterseen Xiloá und Apoyo sind solche evolutionsbiologischen Inseln. Und auch Inselberge an Land gibt es, die – vergleichbar Eilanden im Meer – weitgehend abgeschottet von der Umgebung sind und bei denen Entstehungsprozesse neuer Arten vergleichbar ablaufen: Berggipfel in Regenwäldern etwa.

Machen wir einen kleinen Sprung von den Vulkankraterseen Nicaraguas zu den Bergketten im karibischen Hispaniola – ein Gebiet, das nicht zuletzt durch die erfolgreiche Arbeit von Katharina Wollenberg-Valero in den vergangenen Jahren in den Fokus der Wissenschaft gerückt ist. Ihr Engagement führte die von der VolkswagenStiftung ebenfalls in der "Initiative Evolutionsbiologie" unterstützte Forscherin in wenigen Jahren auf eine Professur für Biologie an der Bethune-Cookman University in Daytona Beach, Florida, USA. Die Evolutionsbiologin, seinerzeit ausgestattet mit einer Postdoktorandenförderung über 270.000 Euro, forscht an der Grenze, an der eine Art beginnt, sich in neue Arten aufzuspalten.


Katharina Wollenberg-Valero versucht die auf der Karibikinsel Hispaniola lebenden Dickkopf-Anolis-Echsen für Untersuchungszwecke zu fangen. (Foto: Miguel Landestoy)
Katharina Wollenberg-Valero versucht die auf der Karibikinsel Hispaniola lebenden Dickkopf-Anolis-Echsen für Untersuchungszwecke zu fangen. (Foto: Miguel Landestoy)


Vor fünf Jahren startete Wollenberg-Valero ihre wissenschaftliche Entdeckungsreise auf der karibischen Insel Hispaniola. Dort fing sie grünbraunfarbene, etwa handgroße Dickkopf-Anolis-Echsen. In nur wenigen Wochen sammelte die Forscherin entlang mehrerer bis zu 400 Kilometer langer Transekten – geraden Linien, die über Stock und Stein führen – zahlreiche Tiere ein und katalogisierte sie. Etwa zehn männliche Echsen an jedem Punkt. Mal im Tal am Rand einer Schotterstraße, mal per Maultierexpedition auf knapp 3000 Metern Höhe. Ziel dieser Sammelaktion war es zu verstehen, wie sich die Echsen in verschiedene Arten aufspalten. Dass dies bei den Dickkopf- Anolis gerade der Fall ist, verraten den Wissenschaftlern deren Gene.

Katharina Wollenbergs zentrale Frage lautete: "Welche Faktoren beeinflussen die Artbildung der Dickkopf-Anolis – eine Artbildung, die offensichtlich stattfindet ohne eine strikte räumliche Trennung?" Ihr Augenmerk galt vor allem der Geomorphologie, der Struktur des Geländes. Auf Hispaniola liegen fünf große Bergketten mit den höchsten Bergen der Karibik nahezu parallel zueinander. Die Dickkopf-Anolis leben überall: auf den Bergkuppen und in den Tälern. Der Lebensraum der einzelnen Tiere ist auf einen kleinen Radius von wenigen zehn Metern begrenzt. Auffällig ist, dass die Tiere ausgeprägte Vorlieben haben: Manche sitzen besonders gern auf einem Felsen, andere fühlen sich auf Ästen am wohlsten.

Welchen Einfluss aber haben solche und andere Faktoren auf die gerade ablaufende Aufspaltung einer Art? Nachgewiesen ist: In den Tälern vorkommende Tiere unterscheiden sich genetisch bereits deutlich von jenen, die auf den auseinanderliegenden Bergkuppen oder an den Hängen leben. Jene hingegen ähneln sich überraschenderweise sehr. "Offiziell handelt es sich noch um eine Art, aber im Vergleich mit anderen Anolis-Arten könnten die Dickkopf-Anolis in den Tälern als eigene Art gegenüber den Tieren auf den Kuppen angesehen werden", sagt die Evolutionsbiologin.

Diesen "Inseleffekt eigener Art" bestmöglich zu verstehen, sammelte sie alle Daten, derer sie habhaft werden konnte. Wo sitzt die Echse: auf einem Ast oder einem Stein? Im offenen Gelände oder im Wald? Wie belaubt ist der Wald? Wie ist das Wetter? Was sieht sie sonst in der Umgebung? Welche Farbe hat der Kehllappen der Dickkopf-Anolis? Wie dick ist deren Kopf? 500 Tiere wurden gewogen, vermessen – so viele Daten wie möglich vor Ort erfasst.


Echsen angeln in der Karibik. (Foto: Miguel Landestoy)
Echsen angeln in der Karibik. (Foto: Miguel Landestoy)
Katharina Wollenberg-Valero, inzwischen Professorin in den USA,  protokolliert ihre Untersuchungsergebnisse. (Foto: Miguel Landestoy)
Katharina Wollenberg-Valero, inzwischen Professorin in den USA, protokolliert ihre Untersuchungsergebnisse. (Foto: Miguel Landestoy)
Die Evolutionsforscherin nimmt Gewebeproben von auf Hispaniola lebenden Dickkopf-Anolis. Das Material wird später in ihrem damaligen „Gastlabor“ an der Harvard University in Boston, USA, genetisch und molekulargenetisch analysiert. (Fotos: Miguel Lan
Die Evolutionsforscherin nimmt Gewebeproben von auf Hispaniola lebenden Dickkopf-Anolis. Das Material wird später in ihrem damaligen „Gastlabor“ an der Harvard University in Boston, USA, genetisch und molekulargenetisch analysiert. (Fotos: Miguel Landestoy)

500 Tiere wurden gewogen, vermessen – so viele Daten wie möglich vor Ort erfasst. Einige schläferte die Wissenschaftlerin sogar ein und nahm sie mit in ihr damaliges "Gastlabor" in die USA. Aus Deutschland fast frisch von der Uni kommend, hatte die angehende Doktorandin keine geringere als die Harvard University in Boston, USA, als Heimatbasis für ihre Forschung auf Hispaniola gewinnen können. Zwischenzeitlich zog es sie an renommierte Lehrstühle für Zoologie und Evolutionsbiologie in Konstanz, Trier und Braunschweig – bevor sie der Ruf auf die Professur in Florida erreichte.

In Harvard röntgte sie die mitgebrachten Echsen, vermaß deren Knochenbau, nahm Gewebe für die genetischen Analysen ab, untersuchte zu guter Letzt noch die Füße der Echsen. Wie Geckos haben Anolis-Echsen Lamellen unter den Zehen, mit denen sie auf glatten Oberflächen haften können. Die Struktur dieser Lamellen ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal der einzelnen Dickkopf-Anolis-Typen. Sämtliche Angaben zu den gefangenen Echsen speiste sie in Datenbanken ein und errechnete Zusammenhänge anhand komplizierter Algorithmen. Was dabei herauskam, ließ die Fachwelt aufhorchen. Ihr gelang einer der ersten klaren Nachweise, die der Lehrbuchmeinung über die Entstehung und Aufspaltung von Arten belegbar und reproduzierbar widersprach. Inzwischen gilt: Artbildung kann auch ohne strikte räumliche Barrieren stattfinden. Und eine Insel ist nicht immer eine Landmasse, die aus dem Wasser ragt.

Der Erfolg von Katharina Wollenberg-Valero hat nicht zuletzt ihre wissenschaftliche Karriere zügig vorangebracht, und er steht zugleich beispielhaft für das gelungene Engagement der VolkswagenStiftung zur Evolutionsbiologie insgesamt: Rund hundert exzellente junge Evolutionsbiologen förderte sie zwischen 2005 und 2014. Einige von ihnen wie Dr. Olivia Roth vom GEOMAR in Kiel beeindruckten die regelmäßig aus aller Welt zur Begutachtung der Projektanträge angereisten Experten gar derart, dass sie gleich mehrfach mit ihren Ideen für Forschungsvorhaben bei der Einwerbung von Fördergeldern erfolgreich waren.


Der Erfolg der einen Forscherin befördert den der anderen: Evolutionsbiologie trifft Europa

Dr. Olivia Roth erforscht an den kleinen schlanken Seenadeln exemplarisch die Evolution des Immunsystems. (Foto: Christoph Edelhoff)
Dr. Olivia Roth erforscht an den kleinen schlanken Seenadeln exemplarisch die Evolution des Immunsystems. (Foto: Christoph Edelhoff)

Olivia Roths Hauptinteresse galt in mehreren von der Stiftung geförderten Projekten einer weiteren zentralen Grundannahme der Biologie: "Batemans Prinzip". Es besagt, dass weibliche Tiere – da sie mehr in den Nachwuchs investieren – länger leben und dass die elterliche Investition in den Nachwuchs mehr an das Geschlecht gebunden ist. Daraus abgeleitet galt lange Zeit, dass zumindest bei Wirbeltieren Weibchen generell das stärkere Immunsystem haben. Nun konnte sie mehrfach zeigen, dass bei bestimmten Arten nicht nur die Mütter, sondern auch die Väter das Immunsystem ihrer Nachkommen prägen können.

"Bei der Grasnadel, einer mit den Seepferdchen verwandten Fischart, brüten die Männchen die Embryonen aus: in einer Bruttasche. Das ermöglicht es ihnen offenbar, Immunantworten an ihre Nachkommen weiterzugeben", erklärt Roth. "Und: Bestimmte Teile dieses Systems werden sogar allein durch die Väter gestärkt, wenn diese zuvor Krankheitserregern ausgesetzt waren." Die Ergebnisse der Evolutionsbiologin deuten nun darauf hin, dass eine der Plazenta vergleichbare Struktur in der Bruttasche der männlichen Grasnadeln für den Transfer der Immunantwort verantwortlich ist. "Die Embryonen sind in der Bruttasche auf ähnliche Weise mit dem Vater verbunden wie Babys über den Mutterkuchen mit der Mutter."

 "Es ist spannend, dass die Evolution bei Menschen und Fischen völlig unabhängig voneinander sich ähnelnde Lösungen hervorgebracht hat", erläutert Roth. Dass zudem gleichermaßen Männchen bei ihrer Nachkommenschaft Immunantworten zu erzeugen und sogar zu steigern vermögen, vermutet sie noch bei weiteren Arten, bei denen dieses Geschlecht die Brutpflege übernimmt. Womit wir wieder bei den Buntbarschen sind, bei denen die Männchen die Eier ausbrüten – sogar im Maul bei vielen Arten. Experimente sollen nun zeigen, inwieweit die vorliegenden Erkenntnisse auch für diese Fische gelten, mit denen sich Forscherkollegin Dr. Marta Barluenga seit zehn Jahren in den Kraterseen Nicaraguas beschäftigt.

Die wiederum ist froh, dass es ihrer Projektpartnerin gelungen ist, das deutsch-spanische Verbundvorhaben als "Kooperationsmodul Europaförderung" auf den Weg zu bringen. Und so treffen sich hier zwei Erfolgsgeschichten: die der kurzfristigen Unterstützung exzellenter Wissenschaftler in jenen Ländern Europas, die zeitweilig in schwerem Wasser segelten – und die vielen kleinen und großen Forschungserfolge aus dem nachhaltigen Stiftungsengagement für die Evolutionsbiologie. Mit teils bahnbrechenden wissenschaftlichen Erkenntnissen auf der Habenseite kann diese fast ein Jahrzehnt lang laufende Initiative als eine der ertragreichsten der Stiftungsgeschichte gelten.


Dr. Olivia Roth betrachtet ihr Forschungsobjekt – die Seenadel. Die Besonderheit bei diesen Fischen: Hier brüten die Männchen die Embryonen aus und sind so dasjenige Geschlecht, das die Herausbildung des Immunsystems bei den Nachkommen beeinflusst. (F
Dr. Olivia Roth betrachtet ihr Forschungsobjekt – die Seenadel. Die Besonderheit bei diesen Fischen: Hier brüten die Männchen die Embryonen aus und sind so dasjenige Geschlecht, das die Herausbildung des Immunsystems bei den Nachkommen beeinflusst. (Foto: Christoph Edelhoff)

Text: Jo Schilling // Fotos: Christoph Edelhoff (Projekt Roth) / Miguel Landestoy (Projekt Wollenberg)