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Leben in der Lücke

(31.7.75) Ein Journal Club zur Urlaubszeit: Marine Ringelwürmer im Sandlückensystem. Das klingt nach zoologischem Spezialistenthema. Aber man kann anhand der Würmer und ihrer Verwandtschaftsverhältnisse exemplarisch studieren, wie Arten neue Lebensräume erobern.
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Sommer. Sonne. Strand. Das Labor ist weit weg, endlich kann man mal auf andere Gedanken kommen. Zoologen aber können ihre Profession auch im Urlaub am Meer schwerlich ablegen. Interessante Beobachtungen kann man schließlich auch auf der Strandmatte machen. Selbst im scheinbar toten Sand zwischen den Zehen.

Denn in den Zwischenräumen der Sandkörner leben kleine Würmchen. Anneliden, um genauer zu sein, mit klangvollen Namen wie "Dinophilus gyrocillatus" oder "Protodrilus adhaerens". Zoologen und Evolutionsbiologen sind seit langem fasziniert von diesen unscheinbaren Tieren. So auch Torsten Struck, der bis vor kurzem am Forschungsmuseum Alexander Koenig in Bonn tätig war und gerade eine neue Stelle am Naturkundemuseum Oslo antritt.

Ringelwurm-Verwandtschaft

Im Magazin Current Biology stellt Struck zusammen mit Kollegen aus Deutschland und den USA einen neuen molekularen Stammbaum vor, der die Verwandtschaftsverhältnisse  diverser Sandlücken-Wurmarten aufklärt (http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2015.06.007). Mit dessen Hilfe können die Forscher die evolutionäre Anpassung an den schwierigen Lebensraum im Sand besser nachvollziehen.

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Eine alte Streitfrage der Ringelwurm-Forscher steht dabei im Raum. Denn wie die marinen Anneliden das Habitat der Sandlücken erobert haben, darüber gibt es verschiedene Vorstellungen, seit der Kieler Zoologe Adolf Remane Anfang des 20. Jahrhunderts die Vielfalt des tierischen Lebens zwischen den Sandkörnern entdeckt hatte.

Welche evolutionären Mechanismen, welche Zwischenschritte spielten eine Rolle bei der Anpassung an diesen einzigartigen Lebensraum? Oder sind die winzigen Würmer gar die ursprüngliche Form der Anneliden, und verwandte, aber größere Ringelwürmer sind sekundär von diesen Kleinformen abgeleitet? Letzteres (die sogenannte "Archianneliden-Hypothese") ist eher unwahrscheinlich, da sind sich die meisten Ringelwurm-Experten weitgehend einig. Die Vorfahren der Sand-Bewohner waren also mit ziemlicher Sicherheit größere Anneliden aus weniger beengten Habitaten.

Eine extreme Umgebung

Aber dann gehen die Ansichten auseinander. Die bisher vorherrschende Meinung war, dass der  lehrbuchmäßige evolutionäre Prozess der "Miniaturisierung" für den Spezialfall der Ringelwürmer im Sand nicht so recht einleuchtet. Viele kleine Anpassungsschritte, und von Generation zu Generation immer etwas kleinere "Ausgaben" der Tiere – dieses Szenario schien einfach nicht recht zu passen. "Das Sandlücken-System ist eine extreme Umgebung", erklärt Struck. Der Lebensraum der Mini-Würmer zwischen den Sandkörnchen ist so ganz anders als derjenige ihrer größeren Vorfahren. Die Anpassung müsse daher ungewöhnlich schnell vonstatten gegangen sein; schneller jedenfalls als es für den Prozess der Miniaturisierung wahrscheinlich scheint – so zumindest eine bisher weit verbreitete Einschätzung.

Aber welche alternative Erklärung gibt es? Hier kommen die entwicklungsbiologisch-evolutionären Ideen des (2002 verstorbenen) amerikanischen Biologen Stephen J. Gould ins Spiel. Denn, so Gould, auch die Abfolge und das Timing der Enwicklungsschritte, vom Ei über Juvenilstadien bis zum geschlechtsreifen Adulttier, kann sich im Lauf der Evolution durch Mutation und Selektion verschieben. Und diese Änderungen des Entwicklungsprogramms können dramatische morphologische Unterschiede der Adultformen bewirken.

Wer hat an der Entwicklungs-Uhr gedreht?

Das ist keine graue Theorie: Das bekannteste Beispiel dürfte der Axolotl sein; ein Amphib, bei dem das erwachsene Tier jedoch keine Metamorphose durchmacht wie ein "normaler" Lurch. Der Axolotl bleibt  quasi lebenslang im Kaulquappenstadium, auch als geschlechtsreifes Tier.

Einen ähnlichen Vorgang vermuteten die meisten Anneliden-Experten bisher auch, um die Anpassung der Sandlücken-Würmer zu erklären: In diesem Fall heißt die angenommene Variation des Entwicklungs-Timings "Progenese". Gemeint ist damit, dass die Geschlechtsreife durch Mutationen, die das Timing der  Entwicklung betreffen, in das Juvenilstadium vorverlegt wird.  "Die Geschlechtsentwicklung verläuft schneller, und die somatische Entwicklung bricht ab, sobald das Tier geschlechtsreif ist", erklärt Struck. Die Folge: Würmer, die zuerst vielleicht nur als Jungtiere im Sand lebten, konnten diesen Lebensraum schließlich dauerhaft besiedeln.

Und auch aus morphologischer Sicht scheint die Hypothese der Progenese Sinn zu ergeben. Denn manche der Zwischenraum-Arten ähneln (in ausgewachsener Form) tatsächlich Juvenil-Stadien verwandter, größerer Arten.

Die Forscher um Struck ließen aber die Morphologie erst einmal außen vor und erstellten einen molekularen Stammbaum für mehr als 80 Ringelwurm-Arten aus Transkriptom-Daten. 679 Gene flossen darin ein, was den Stammbaum robuster macht als frühere Versuche, die Verwandtschaftsbeziehungen der Sandlückenwürmer zu rekonstruieren.

Eher wenig überraschend ist, dass auch der neue Stammbaum keine Argumente für die "Archianneliden"-Hypothese liefert. Die Anneliden des Sandlückensystems sind also wohl tatsächlich sekundär abgeleitete Formen.

Feine und grobe Poren

Aber auch auf die Frage, ob Progenese oder Miniaturisierung der treibende evolutionäre Mechanismus war, konnten Struck und Kollegen eine Antwort geben. Denn der Stammbaum zeigt zwei deutlich getrennte Gruppen der Sandlücken-Würmer. Und bei einer dieser Gruppen war offenbar tatsächlich Progenese im Spiel. Das legen Rekonstruktionen der Merkmalsevolution entlang der Äste des Stammbaums nahe, sowie  Vergleiche mit Juvenilstadien der nächst verwandten Arten.

Die bisher eher verschmähte These der schrittweisen Miniaturisierung ist aber auch wieder im Rennen. Denn für die andere Untergruppe der Zwischenraum-Bewohner, zu der die Protodrilida und die Polygordiidae gehören, scheint die Miniaturisierung die bessere Erklärung zu sein.

Was ist dann aber mit den Erklärungsnöten, dass auch die Zwischenformen auf dem Weg der Verzwergung an ihre jeweilige Umwelt angepasst sein mussten? "Es gibt durchaus auch recht großporige Sediment-Habitate", so Stuck. Auch Zwischenformen auf dem Weg der Miniaturisierung könnten also jeweils plausible Habitate gehabt haben, an die sie jeweils gut angepasst waren.

Progenese oder Miniaturisierung - die Frage scheint im Moment jedenfalls mit einem "Sowohl-als-auch!" beantwortet zu sein.

 

Hans Zauner

Foto: Ringelwurm der Gattung Protodrilus; (c) T. Struck



Letzte Änderungen: 16.09.2015