Was hat die Förderung der Evolutionsbiologie gebracht?

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Projektvorstellung: Martin Kaltenpoth

Rund hundert Teilnehmer(innen) haben vom 7. bis 9. Juli 2014 im Schloss Herrenhausen zurückgeblickt auf ein Jahrzehnt erfolgreicher Förderung von Projekten zur "Evolutionsbiologie". Viele der alleine nahezu hundert Doktoranden und Postdoktoranden, die im Zuge einer Individualförderung profitiert haben, stellten zum Abschluss der Initiative ihre Projekte vor.

Auf dem Feld "Evolution und Biodiversität" bewegte und bewegt sich Dr. Martin Kaltenpoth. Er ist inzwischen – nach Stationen in Regensburg und Utah, USA – Leiter einer Max-Planck-Forschergruppe am MPI für chemische Ökologie in Jena. Seine Untersuchungsobjekte sind seit vielen Jahren Grabwespen der Gattung Philanthus, die so genannten Bienenwölfe. Sie jagen Honigbienen, die sie als Nahrung für ihren Nachwuchs in Erdhöhlen einlagern. Die Bienenwolf-Larven wiederum beherbergen nützliche Bakterien auf ihrem Kokon, die einen Schutz gegen schädliche Mikroorganismen garantieren. Dies ist erforderlich, da zahlreiche Grabwespenarten im Unterschied etwa zu Bienen ihre Nester im Boden anlegen, was diese verstärkt dem Risiko einer Pilz- oder Bakterieninfektion aussetzt. 

Im Zuge seiner stiftungsgeförderten Forschung gelangen Kalthenpoth mehrere spektakuläre Erfolge, die er im Schloss Herrenhausen gebündelt vorstellte. So wies er mit seinem Team zunächst nach (Nature Chemical Biology, 2010), dass es zum einen Bakterien der Gattung Streptomyces sind, die hier wirken – und das jene zum anderen nicht weniger als einen Cocktail aus neun (!) verschiedenen Antibiotika produzieren, die für die Abwehr eindringender "Schädlinge" sorgen.

Mit Hilfe bildgebender Massenspektrometrie konnten die Forscher zeigen, dass sich die Antibiotika konzentriert auf der Außenseite des Kokons befinden und explizit diesen effektiv gegen Infektionen schützen. Der Einsatz verschiedener Antibiotika verhindert Infektionen durch eine Vielzahl krankheitserregender Mikroorganismen. Damit nutzen Bienenwölfe – und das seit Millionen von Jahren – ein Prinzip, das man inzwischen auch aus der Humanmedizin kennt: die Kombinations- oder Breitbandprophylaxe. Eine "chemische Keule gegen Schimmel" könnte man es etwas eingängiger auch formulieren.

Zuvor hatte Kaltenpoth bereits zeigen können, dass weibliche Bienenwölfe die Streptomyces-Bakterien in speziellen Drüsen ihrer Antennen züchten und diese mit seltsam anmutenden, hin und her schwingenden Bewegungen an die Decke ihrer Brutzellen schmieren. Die Bienenwolflarven wiederum nehmen die Bakterien auf, spinnen sie in die Seide ihres Kokons ein und erhöhen damit ihre Überlebenswahrscheinlichkeit. Von den Filmaufnahmen war sogar das ausgewiesene Fachpublikum in Hannover-Herrenhausen gebührend beeindruckt.

Im Laufe seiner Stiftungsförderung entlockten Kaltenpoth und sein Team der Allianz zwischen Insekt und Mikrobe aber noch weitere verblüffende Details. So fanden sie heraus, dass bestimmte Grabwespen die Weitergabe ihrer Symbiosebakterien von der Mutter an den Nachwuchs streng kontrollieren und keine anderen als ganz bestimmte Mikroorganismen übertragen. Beide Symbionten sind demnach offensichtlich "treue Partner seit der Kreidezeit"; die Symbiose zwischen Bienenwölfen und ihren Bakterien besteht also unverändert offenbar seit Millionen von Jahren. "Diese Kontrolle stabilisiert das symbiotische Schutzbündnis zwischen den ungleichen Partnern und ermöglichte das Überdauern der Lebensgemeinschaft bereits seit Millionen Jahren", formuliert Kaltenpoth es aus.

Man müsse sich zunächst vergegenwärtigen: Symbiotische Beziehungen seien in der Natur allgegenwärtig und spielten eine entscheidende Rolle für die Ökologie und Evolution der allermeisten Organismen auf der Erde, so der Forscher. Wie aber könnten solch feste Partnerschaften bestehen? Schließlich verbringen viele Symbionten einen Teil ihres Lebenszyklus außerhalb des Körpers ihres Wirtes. Um nicht andere, in der Umwelt allgegenwärtige Bakterien aufzunehmen, müssten die Wirte also klar zwischen Freund und Feind unterscheiden können.

Dieser Aspekt ließ Kathenpoth samt Team nicht ruhen, und so erstellten sie einen Stammbaum der verschiedenen Bienenwolf-Arten und deren Symbiosepartner. Und eben jene Analyse des Bienenwolf-Stammbaums ergab, dass die Symbiose mit den Streptomyces-Bakterien ihren Ursprung bereits in der späten Kreidezeit hatte, genauer gesagt: vor 68 bis 110 Millionen Jahren. Etwa 170 Wespenarten leben heute in Symbiose mit diesen Bakterien.

Ein Vergleich der Wespen- und Bakterien-Stammbäume lieferte dann ein wirklich überraschendes Ergebnis: Die Symbionten aller Bienenwolfarten sind sehr nahe miteinander verwandt, ihre stammesgeschichtliche Entwicklung verlief jedoch nicht parallel zu der ihrer Wirte, was bei einer perfekten Übertragung der Symbionten auf die Nachkommen aber zu erwarten wäre. "Dieses Muster weist darauf hin, dass Bienenwölfe gelegentlich ihre Bakterien durch andere ersetzen, allerdings immer nur durch Symbionten einer anderen Bienenwolfart", erläutert Martin Kaltenpoth. "Obwohl auch freilebende, mit den Symbionten nahe verwandte Bakterien im Lebensraum von Bienenwölfen häufig anzutreffen sind, können diese die Symbionten offenbar nicht dauerhaft verdrängen."

Die Strategie der Bienenwölfe zur Übertragung der passenden Symbionten bietet letztlich viele aufschlussreiche Einblicke in eine Symbiose, die über Jahrmillionen stabil geblieben ist. Und sie liefert einen Beitrag zum Verständnis der Fülle und Beständigkeit symbiotischer Lebensgemeinschaften bei Insekten. In Zukunft wollen die Forscher untersuchen, wie Bienenwölfe die Übertragung anderer Bakterien an ihren Nachwuchs selektiv blockieren können.

Die letzten Erkenntnisse haben die Forscher erst im Frühjahr 2014 veröffentlicht. Mit ihrer von der Stiftung geförderten Arbeit betreten sie nun schon seit etlichen Jahren immer wieder Neuland: "Erstaunlicherweise weiß man über die ökologische Bedeutung von Antibiotika in ihrer natürlichen Umgebung erst sehr wenig. Mit Hilfe der bildgebenden Massenspektrometrie können wir aber jetzt die natürliche Rolle von antibiotischen Substanzen in der Umwelt besser verstehen", bringt Kaltenpoth in Hannover noch einen anderen Aspekt ins Spiel. "Wir vermuten auch, dass solche "Schutz-Symbiosen" wie die zwischen Bienenwölfen und Streptomyceten im Tierreich viel weiter verbreitet sind als bislang angenommen", betonte er.

Seine abschließende Bemerkung war dann zugleich Startpunkt für rege Pausendiskussionen: Die Untersuchung jener Substanzen, die im Zuge der "Schutz-Symbiosen" ein Rolle spielen, schloss Kaltenpoth, trügen nicht nur wesentlich zum Verständnis der Evolution solcher Symbiosen bei, sondern könnten auch zur Entdeckung interessanter neuer Wirkstoffe für die Humanmedizin führen – ein brandaktuelles Thema, dem die Stiftung in Kürze auch eine eigene wissenschaftliche Veranstaltung im Schloss Herrenhausen widmet.