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Hybridisierung als Evolutionsschub

Ernährungsspezialisierungen von Cichliden. Links: Lobochilotus labiatus, ein Fleischfresser aus dem Tanganjikasee, der einen Mund hat, um wirbellose Tiere aus Felsspalten zu saugen. Rechts: Pseudocrenilabrus nicholsi, ein Allesfresser aus dem Kongobecken.
Ernährungsspezialisierungen von Cichliden. Links: Lobochilotus labiatus, ein Fleischfresser aus dem Tanganjikasee, der einen Mund hat, um wirbellose Tiere aus Felsspalten zu saugen. Rechts: Pseudocrenilabrus nicholsi, ein Allesfresser aus dem Kongobecken. Bildnachweis: Wolfgang Gessl (www.pisces.at)

Einige eingewanderte oder eingeschleppte Tierarten, wie die japanische Buschmücke oder der asiatische Marienkäfer, fühlen sich inzwischen durch klimatische Veränderungen in ihrer neuen Heimat Mitteleuropa durchaus wohl. Dies hat nicht nur zur Folge, dass sie sich in dieser Region stetig vermehren, sondern mehr noch: Weisen Neuzugänge mit Angehörigen der lokalen Spezies genetische Kompatibilität auf, so kann es geschehen, dass sie sich miteinander kreuzen und so hybride Arten hervorbringen. Abhängig von lokalen Umweltbedingungen können sich diese wiederum unabhängig weiterentwickeln – ein Prozess, der sich bereits in der Entwicklungsgeschichte des Menschen in der Kreuzung zwischen dem Homo Sapiens und dem Neandertaler nachweisen lässt.


Die neuen Gene zugewanderter Arten ermöglichen somit neue genetische Kombinationen, die einer Spezies in natürlichen Selektionsprozessen Vorteile verschaffen können. Der Hybrid-Schwarm-Theorie zufolge kann wiederum die Kreuzung der so entstandenen hybriden Art mit ihrer Elternart zu einer vergrößerten genetischen Vielfalt innerhalb der Art wie auch zur Bildung von ganz neuen Arten mit vorher nicht existierenden Eigenschaften führen. Doch wie können die Naturwissenschaften heute diese Theorie belegen und entscheidende Schlüsselmomente in der Artenentstehung identifizieren?

Die Diversifizierung und Artenentstehung weiter zu erforschen ist das Hauptziel einer Gruppe von Evolutionsbiologen um Professor Axel Meyer an der Universität Konstanz und Professor Christian Sturmbauer an der Universität Graz. „Diese Studie – unsere größte in Bezug auf das Datenvolumen und den Grad der Kollaboration seit Beginn unserer Zusammenarbeit im Jahr 1990 – hat uns endlich ein nahezu vollständiges Verständnis der Evolutionsgeschichte der Buntbarsche sowie der Prozesse ermöglicht, die zur Diversifizierung dieser Fische am Tanganjikasee geführt haben", erklärt Axel Meyer.

Im Zentrum ihrer Forschung stehen dabei mehrere hundert Arten von Buntbarschen aus dem Tanganjikasee in Ostafrika. Mit bereits mehr als 1700 weltweit identifizierten Arten sind Buntbarsche Modellorganismen, um die Mechanismen ihrer rasch sich entwickelnden und dabei kaum erklärbaren Artenvielfalt weiter zu entschlüsseln. Den Forschern gelang es nicht nur, die Beziehungen zwischen den besonders umstrittenen Zweigen der Buntbarsch-Familien und damit deren frühe Ausbreitung im Tanganjikasee zu erklären. Sie waren ebenso in der Lage, Licht auf die bisher noch umstrittene Chronologie der Artenentwicklung der Buntbarsche zu werfen. Ihre Forschungsergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Mit DNA in die evolutionären Stammbäume
Unter Einbezug modernster Verfahren zur Entschlüsselung von Genom-Sequenzen gelang es dem Forscherteam, mehr als 500 verschiedene Gensequenzen der Buntbarscharten zu identifizieren. Auf deren Grundlage konnten sowohl neue evolutionäre Stammbäume entwickelt als auch die Frage beantwortet werden, warum die Entstehungsprozesse mancher der Arten explosionsartig auftraten. So fanden die Biologen heraus, dass sich bereits in der frühesten Verbreitung der Buntbarsche durch umgebungsinduzierte Bedingungen Hybride aus der ursprünglichen Art herausbildeten, die sich unter stabilen Verhältnissen rasch vermehrten und damit einen Schub für die Entwicklungsgeschwindigkeit der gesamten Art auslösten. Hinsichtlich der evolutionären Entwicklung der „modernen“ Buntbarschbevölkerung des Tanganjikasees entdeckte das Team, dass eine weitere Buntbarschart aus dem Fluss Kongo den Tanganjikasee ebenso besiedelte, sich mit ihren bereits dort lebenden Vorfahren kreuzte und so die adaptive Radiation, die Auffächerung einer Art in stärker spezialisierte Arten, im ganzen See begünstigte. Obwohl diese Art im heutigen Tanganjikasee nicht mehr vorhanden ist, kann man sie durch genetische Stammbaum-Rückverfolgung der vielfältigen „Nachkommenarten“ immer noch nachweisen.

Einige Buntbarsch-Gene, die insbesondere für die Farbgebung und die spezialisierten Kiefer verantwortlich sind, variieren schneller und bleiben dann in den differenzierten Formen erhalten bzw. entwickeln sich noch weiter. Christian Sturmbauer führt dies auf die Verbreitung der Fische in neue Umgebungen zurück: „Es sorgen also jene Merkmale, die dem Druck der Selektion ausgesetzt sind, für die Entstehung neuer Arten.“ Auf Basis neuester Sequenzierungsmethodik gelang es dem Team als erstem aufzuzeigen, wie die Veränderungen der Kieferform der hybriden Arten wesentlich zur Erschließung neuer Futterquellen beitrugen.

Fossilien ergänzen molekulare Eichungsversuche
Ein weiterer Erfolg des Forschungsteams um Axel Meyer und Christian Sturmbauer ist die Aufdeckung der bislang umstrittenen chronologisch-evolutionären Entwicklung der Buntbarsche: Bisher resultierten alle molekularen Eichungsversuche unter Einbezug der sogenannten Molekular-Uhr-Technik in zu niedrigen oder zu hohen Altersergebnissen der Arten, die sich nicht mit der geologischen Geschichte Ostafrikas vereinbaren ließen. Mit einem neuen methodischen Ansatz in Kombination mit der Untersuchung eines neuen Fossilfundes erfolgte eine Eichung, die zum ersten Mal die Abspaltung des südlichen Urkontinents Godwana mit dem allmählichen Absinken des ostafrikanischen Grabenbruchs – aus welchem heraus sich die Tanganjikasee-Buntbarsche im Wechselverhältnis zu dessen anwachsendem Ökosystem entwickelten – vereinbart. „ Diese Erkenntnisse helfen uns, aktuelle Veränderungen im Tierreich, etwa durch den Klimawandel, zu verstehen“, begründet Sturmbauer die wichtige Bedeutung der Ergebnisse.

Universität Konstanz


Originalveröffentlichung:
Iker Irisarri, Pooja Singh, Stephan Koblmüller, Julián Torres-Dowdall, Frederico Henning, Paolo Franchini, Christoph Fischer, Alan R. Lemmon, Emily Moriarty Lemmon, Gerhard G. Thallinger, Christian Sturmbauer & Axel Meyer. „Phylogenomics uncovers early hybridization and adaptive loci shaping the radiation of Lake Tanganyika cichlid fishes“, Nature Communications 2018

https://doi.org/10.1038/s41467-018-05479-9