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Fahrplan der EU-Kommission zur Regulierung der neuen genomischen Techniken - Ihre Meinung ist gefragt!

Tue, 28 Sep 2021 18:47:00 +0200

Es besteht die Möglichkeit, den Fahrplan der EU-Kommission zu kommentieren und Beiträge zur Folgenschätzung einzureichen.

Rückmeldungen sind vom 24 September 2021 bis zum 22 Oktober 2021 möglich.

Die EU-Kommission wird die eingegangenen Beiträge in einem Bericht zusammenfassen und dabei erläutern, in welcher Weise sie berücksichtigt werden bzw. warum bestimmte Vorschläge nicht aufgegriffen werden können. Die eingegangenen Rückmeldungen werden direkt auf der Website veröffentlicht.

Machen Sie von der Möglichkeit Gebrauch, der EU-Kommission hier Ihre Kommentare und Argumente zu übermitteln!

Tipp: Als übersichtliches und aktuelles informationstool zum Thema empfehlen wir Ihnen das deutschsprachige Rechercheportal Genome Editing in der EU – INFOTHEK.
Generelle Informationen über das Thema Genome Editing und entsprechende Aktivitäten des VBIO finden Sie auf den Internetseiten des VBIO.

(EU-Kommission, VBIO)

Antidepressiva hemmen Krebswachstum in Mäusen

Tue, 28 Sep 2021 10:33:44 +0200

Serotonin ist ein Neurotransmitter, der wegen seiner Wirkung auf die Stimmungslage auch als Glückshormon bezeichnet wird. So ist bei depressiven Menschen dessen Konzentration im Gehirn vermindert. Serotonin beeinflusst überdies zahlreiche weitere Funktionen im ganzen Körper. Der Grossteil des Moleküls befindet sich nicht im Gehirn, sondern ist in den Blutplättchen gespeichert. Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI), die zur Behandlung von Depressionen eingesetzt werden, erhöhen zwar den Serotoninspiegel im Gehirn, vermindern aber das sogenannte periphere Serotonin in den Blutplättchen.

Serotonin-Wiederaufnahmehemmer bremsen Tumorwachstum

Dass Serotonin auch an der Krebsentstehung beteiligt ist, war bereits bekannt. Bis anhin blieben die zugrundeliegenden Mechanismen aber im Dunkeln. Nun zeigen Forschende der Universität Zürich (UZH) und des Universitätsspitals Zürich (USZ), dass SSRI oder andere Medikamente, welche die Konzentration von peripherem Serotonin senken, in Mäusen das Krebswachstum verlangsamen. «Bereits zugelassene klassische Antidepressiva könnten helfen, die Therapie von bisher unheilbarem Bauchspeicheldrüsen- und Darmkrebs zu verbessern», sagt Pierre-Alain Clavien, Direktor der Klinik für Viszeral- und Transplantationschirurgie.

Obwohl seit einigen Jahren neue, wirksame Behandlungen – etwa zielgerichtete Antikörper oder Immuntherapien – verfügbar sind, sterben die meisten Patienten mit Unterleibstumoren wie Dickdarm- oder Bauchspeicheldrüsenkrebs in fortgeschrittenem Stadium innerhalb weniger Jahre nach der Diagnose. Ein Problem ist, dass die Tumorzellen mit der Zeit resistent gegen die Medikamente werden und vom Immunsystem nicht mehr erkannt werden. Nun hat die von Pierre-Alain Clavien und Anurag Gupta geleitete Gruppe entdeckt, welche Rolle Serotonin bei diesem Resistenzmechanismus der Tumorzellen spielt.

Ohne Serotonin erkennt das Immunsystem die Krebszellen wieder

Krebszellen nutzen Serotonin, um die Produktion eines zentralen Moleküls der Krebsentwicklung anzukurbeln: das sogenannte PD-L1. Dieses bindet an Killer-T-Zellen, einen bestimmten Typ von Immunzellen, welche normalerweise Tumorzellen erkennen und eliminieren, und macht sie funktionsunfähig. Die Krebszellen entgehen so der Zerstörung durch das Immunsystem. In Experimenten mit Mäusen konnten die Forschenden zeigen, dass SSRI oder periphere Serotonin-Synthesehemmer diesen Mechanismus unterbinden. «Diese Klasse von Antidepressiva und andere Serotoninblocker führen dazu, dass die Abwehrzellen die Tumorzellen wieder erkennen und effizient eliminieren. Dadurch wurde in den Mäusen das Wachstum von Dickdarm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs gebremst», sagt Clavien.

Hoffnung auf neuartige Kombinationstherapien

PD-L1, über das Serotonin seine Wirkung entfaltet, ist gleichzeitig der Angriffspunkt moderner Immuntherapien, auch Immun-Checkpoint-Inhibitoren genannt. In einem nächsten Schritt testete die Gruppe in Mäusen einen doppelten Behandlungsansatz: Sie kombinierten eine Immuntherapie, welche die Aktivität der Killer-T-Zellen steigert, mit Medikamenten, die peripheres Serotonin reduzieren. Die Resultate waren eindrücklich: Das Krebswachstum wurde in den Tiermodellen langfristig unterbunden, und bei einigen Tieren verschwand der Tumor komplett.

«Unsere Resultate geben Anlass zur Hoffnung für Krebspatienten, da die verwendeten Medikamente bereits für den klinischen Einsatz zugelassen sind. Da Sicherheitsprofile und Wirksamkeit bekannt sind, sollte es relativ rasch möglich sein, solche neuartigen Medikamentenkombinationen in einer klinischen Studie am Menschen zu prüfen», so Pierre-Alain Clavien.

Universität Zürich

Originalpublikation:

M. A. Schneider, L. Heeb, M. M. Beffinger, S. Pantelyushin, M. Linecker, L. Roth, K. Lehmann, U. Ungethum, S. Kobold, R. Graf, M. van den Broek, J. vom Berg, A. Gupta, P.-A. Clavien, Attenuation of peripheral serotonin inhibits tumor growth and enhances immune checkpoint blockade therapy in murine tumor models. Science Translational Medicine. 15 Sep 2021.

DOI: 10.1126/scitranslmed.abc8188

Ihre Lernfähigkeit erleichtert Tabakschwärmern die Wahl der Nektarquelle und des Eiablageplatzes

Tue, 28 Sep 2021 08:42:08 +0200

Max-Planck-Forscherinnen und -Forscher haben neue Erkenntnisse über die Lernfähigkeit von Tabakschwärmern gewonnen. In zwei aktuellen Publikationen berichten sie, dass das Erlernen von Düften nicht nur bei der Futtersuche eine Rolle spielt, sondern dass weibliche Falter bei der Wahl des Eiablageplatzes ebenfalls von zuvor erlernten Gerüchen beeinflusst werden. Dabei reicht ein einziges abgelegtes Ei auf einer Pflanze aus, um diese auch noch nach 24 Stunden als erste Wahl wieder zu besuchen. Hingegen scheint die zweite Nase der Falter, die Spitze des Saugrüssels, auf der sich ebenfalls Riechzellen befinden, beim Erlernen von Düften und den darauf basierenden Entscheidungen bei der Futtersuche keine Rolle zu spielen. Die Ergebnisse geben Hinweise auf die Anpassungsfähigkeit dieser Insekten an ihre Umwelt.

Lernfähigkeit bestimmt auch die Eiablage

In einer früheren Studie konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Bill Hansson und Markus Knaden aus der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie bereits zeigen, dass Tabakschwärmer Düfte als Hinweis auf eine Nektarquelle lernen können, die sie zuerst als unangenehm wahrgenommen hatten (siehe https://idw-online.de/de/news753545). Die Insekten hatten sich in dieser Studie als sehr lernfähig im Hinblick auf Nahrungsquellen herausgestellt. Daher wollten die Forschenden wissen, ob sich Lernen auch auf das Eiablageverhalten auswirkt. In Verhaltensexperimenten stellten sie in einem ersten Schritt Tabakschwärmerweibchen vor die Wahl, ihre Eier entweder auf einem Blatt der wilden Tabakart Nicotiana attenuata oder des Kalifornischen Stechapfels Datura wrightii abzulegen. Die unerfahrenen Falter, die vorher noch kein Ei auf eine Pflanze gelegt hatten, zeigten eine angeborene Vorliebe für die Blätter des Stechapfels. Im zweiten Schritt wurden ebenfalls unerfahrene Weibchen auf eine bestimmte Pflanzenart trainiert: Die Falter konnten ihr Ei im Training entweder nur auf einem Tabakblatt oder einem Stechapfelblatt ablegen. Im dritten Schritt wollten die Forschenden wissen, ob dieses Training die Entscheidung für oder gegen eine der Pflanzen beeinflusst. „Wir waren sehr erstaunt zu beobachten, dass bereits eine einzige Eiablageerfahrung ausreicht, um das Interesse danach auf genau die Pflanze zu richten, auf der zuvor schon einmal ein Ei abgelegt worden war. Diese Pflanze lernten Tabakschwärmer selbst dann, wenn nur ein Blatt für die Eiablage zur Verfügung stand und diese Erfahrung somit von der Blüte als Nektarquelle entkoppelt war,“ fasst Erstautorin Nandita Nataraj die Ergebnisse zusammen. Offenbar stellt eine erfolgreiche Eiablage an sich schon eine Belohnung dar, an die sich die Falter später erinnern und die zukünftiges Verhalten beeinflusst.

Insgesamt erbrachte die Auswertung der Experimente, dass die Präferenz für Tabak nach 24 Stunden deutlicher nachließ als die Vorliebe für Stechapfel, dessen Blätter sie in der Natur bevorzugen. Die angeborene Präferenz in Kombination mit Erfolgslernen scheint ein evolutionärer Vorteil zu sein, durch den das schwere Insekt, das beim Fliegen und Schweben über einer Pflanze viel Energie verbraucht, effektiver und ressourcenschonender seine Eier ablegen kann. Außerdem ist es besser vor Feinden geschützt, wenn es nicht so lange suchen muss und schneller ans Ziel, das heißt zu seiner Wirtpflanze, gelangt.

Tabakschwärmer lernen Düfte mit ihren Antennen, nicht aber mit ihrer zweiten Nase: der Spitze ihres Saugrüssels

Tabakschwärmern können nicht nur Wirtspflanzen für eine effizientere Eiablage lernen, sie erinnern sich auch an Blütendüfte, die sie bei der Futtersuche schneller zu einer Nektarquelle führen. Tabakschwärmer nehmen die duftenden Hinweise auf Nektar über ihre Antennen wahr. In einer Studie aus dem Jahr 2016 hatte das Team von Markus Knaden jedoch herausgefunden, dass Riechzellen auf der Spitze des Saugrüssels bei Tabakschwärmern eine Art zweite Nase darstellen (siehe https://idw-online.de/de/news653141). Daher wollten die Forschenden nun wissen, ob die Falter mit diesem zusätzlichen Geruchsorgan ebenfalls Düfte lernen können.

„Die größte Herausforderung für unsere Studie war das Design einer künstlichen Blüte, die den Blütenduft in ihrem Inneren behält und nicht nach außen dringen lässt. Wäre der Duft auch außerhalb der Blüte wahrnehmbar, hätten wir nicht zwischen dem Duftlernen mit den Antennen und mit dem Saugrüssel unterscheiden können“, beschreibt die Erstautorin Elisabeth Adam die Besonderheit des experimentellen Setups. Die Falter sind in ihrer natürlichen Umgebung dämmerungsaktiv und folgen auch visuellen Reizen. Daher entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Blüte aus blauem Acryl, die Falter auch ohne Duft gezielt anlockte.

Die Auswertung von Verhaltensexperimente im Windtunnel ergab, dass Tabakschwärmer Düfte, die sie lediglich mit ihrem Saugrüssel wahrnehmen, nicht lernen. Frühere Erfahrungen mit bestimmten Düften innerhalb der Blüte veränderten das Futtersuchverhalten daher nicht. „Wir wissen aus früheren Studien, dass beim Lernen höhere Hirnregionen eingebunden sind. Vermutlich hat der Saugrüssel eher eine Rolle als Tast- oder Geschmacksorgan, um die Qualität einer Blüte zu bewerten. Er nimmt Düfte daher vermutlich anders wahr und leitet sie auch nicht an höhere Hirnareale weiter,“ erläutert Elisabeth Adam die Ergebnisse.

Tabakschwärmer Manduca sexta: Ein ideales Modell um die Auswirkungen von Lernen auf das geruchsgesteuerte Verhalten in einem Insekt zu untersuchen

Tabakschwärmer zeigen auch unter Laborbedingungen viele komplexe Verhaltensweisen. Das Folgen einer Duftfahne, die auf Blütennektar hinweist, oder die Unterscheidung zwischen geeigneten und nicht geeigneten Wirtspflanzen, auf denen sie Eier ablegen und auf denen der Raupennachwuchs gut gedeihen kann, sind dabei von besonderem ökologischem Interesse. „Wir wissen bei diesem Insekt bereits sehr viel über die Geruchswahrnehmung, insbesondere welche Gehirnregionen an der Weiterleitung und Verarbeitung der Duftreize beteiligt sind. Die Falter sind also ideale Modelle um Geruchswahrnehmung und Lernen zu untersuchen – und zwar von ersten Kontakt mit einem Duftmolekül über die Reizweiterleitung bis hin zum ausgelösten Verhalten,“ fasst Studienleiter Markus Knaden zusammen.

Weitere Untersuchungen sollen sich nun den Fragen widmen, ob Tabakschwärmer auch lernen können ihre Eier auf Pflanzen zu legen, die nicht zu ihrem Wirtsspektrum gehören und ob sie auch eine Vielzahl unterschiedlicher Blüten und Wirtspflanzen lernen können. Auch soll in weiteren Experimenten überprüft werden, wie der Falter die Riechzellen auf dem Saugrüssel nutzt, um Blütendüfte zu bewerten.

Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Originalpublikationen:

Nataraj, N., Adam, E., Hansson, B. S., Knaden, M. (2021). Host plant constancy in ovipositing Manduca sexta. Journal of Chemical Ecology, doi: 0.1007/s10886-021-01309-3

https://doi.org/10.1007/s10886-021-01309-3

Adam, E., Hansson, B. S., Knaden, M. (2021). Moths sense but do not learn flower odors with their proboscis during flower investigation Journal of Experimental Biology 224, jeb242780. doi:10.1242/jeb.242780

http://dx.doi.org/10.1242/jeb.242780

Hungrig oder satt: Auf kleinste Details kommt es an

Tue, 28 Sep 2021 08:25:43 +0200

Die neuen Erkenntnisse können Grundlage für das Design nebenwirkungsarmer Wirkstoffe zur Behandlung stark übergewichtiger oder adipöser Patienten sein. Untersuchungen an den „Schaltern“ der Gewichtsregulation sind aktueller denn je. Es gilt Erkrankungen zu behandeln, bei denen genetische Defekte zu einem Ausbleiben des Sättigungsgefühls und in der Folge einer ausgeprägten, schwer behandelbaren Fettleibigkeit bereits in jungen Jahren führen. Gleichzeitig ist Übergewicht eines der drängenden globalen Probleme. Schätzungsweise 1,6 Milliarden Erwachsene und 650 Millionen Kinder sind momentan weltweit übergewichtig. Damit einher geht ein erhöhtes Risiko für Folgeerkrankungen wie Herz-Kreislauf-Fehlfunktionen oder Diabetes mellitus. Stetig steigende Zahlen und langfristige Konsequenzen treiben Forschende weltweit an, die Mechanismen der Appetitregulation auf molekularer und letztendlich atomarer Ebene zu entschlüsseln. Im Fokus des Interesses stehen die Auswirkungen genetischer Defekte auf Appetit und Hungergefühl wie auch die Suche nach möglichen Stellen, an denen im Krankheitsfall medikamentös eingegriffen werden kann.

  In der nun vorliegenden Studie widmet sich das Team um Dr. Patrick Scheerer, Leiter der Arbeitsgruppe Proteinstrukturanalyse und Signaltransduktion am Institut für Medizinische Physik und Biophysik der Charité, einem zentralen Player im Prozess der Regulation des Hungergefühls und damit der Gewichtsregulation des Menschen. Es handelt sich um ein vorwiegend im Gehirn lokalisiertes Protein, das von Hormonen reguliert wird, die durch ein Andocken an das Protein entscheidende Signale für das Sättigungsgefühl auslösen. Solche Proteine werden allgemein Rezeptoren genannt – in diesem Fall ist es der Melanocortin-4-Rezeptor (MC4R). Seine Aktivierung durch stimulierende Hormone (α-/ß-MSH) hemmt das Hungergefühl. Gegenregulator ist das sogenannte Agouti-related peptide (AgRP), es blockiert den Rezeptor und führt zu einem vermehrten Hungergefühl. Genetisch bedingte Fehlfunktionen an diesem „Schalter“-Protein führen bei Menschen sehr häufig zu leichtem oder schwerem Übergewicht. Prof. Dr. Peter Kühnen, Mediziner und Wissenschaftler am Institut für Experimentelle Pädiatrische Endokrinologie, ist auf die Behandlung von Patientinnen und Patienten spezialisiert, bei denen aufgrund von Gendefekten das Sättigungsgefühl unzureichend übermittelt wird. Auf der Suche nach Behandlungsmöglichkeiten für diese Formen der Adipositas hat sich der Endokrinologe intensiv mit den Signalketten der menschlichen Gewichtsregulation befasst, Mutationen in für Botenstoffe und Rezeptoren zuständigen Genen untersucht und mögliche Wirkstoffe analysiert, die einzelne Botenstoffe ersetzen können.  

Die Hürde bei einer medikamentösen Behandlung von pathologischem erhöhten Appetit: „Bisher sind diese pharmakologischen Interventionen von Nebenwirkungen begleitet. Diese reichen von einer Dunkelfärbung der Haut – das Melanocortin-Hormon ist unter anderem auch für die Pigmentierung von Haut und Haaren zuständig – bis hin zu kardiovaskulären Ereignissen“, sagt Prof. Kühnen, der auch an der aktuellen Untersuchung mitgewirkt hat und für seine Forschungsleistungen zur Entwicklung neuer, nebenwirkungsärmerer Medikamente mit dem Paul-Martini-Preis ausgezeichnet worden ist. „Die Ursache dieser unerwünschten Wirkungen liegt im Aufbau der vorhandenen Medikamente“, erklärt Studienleiter Dr. Scheerer. „Diese adressieren in der Regel nicht nur ein Ziel, sondern verschiedene Rezeptoren aus der gleichen Familie, die aber eine andere Rolle im Organismus spielen. Je genauer wir die Interaktionen zwischen den beteiligten Komponenten kennen, umso gezielter lässt sich eingreifen.“ Im Sinne der Translation, dem Übertragen wissenschaftlicher Erkenntnisse in die medizinische Praxis, arbeiten die Gruppen um Dr. Scheerer und Prof. Kühnen an der Charité eng zusammen, auch ergänzen sie sich im Rahmen des übergeordneten DFG-Sonderforschungsbereichs (SFB) 1423 „Structural Dynamics of GPCR Activation and Signaling“ der Universität Leipzig, an dem die Charité mit vier Teilprojekten beteiligt ist. 

 Im Zuge der aktuellen Arbeiten ist es gelungen, die räumliche Struktur des Hormon-Rezeptors MC4R, einem G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR), aufzuklären und sichtbar zu machen. Hierfür reichen herkömmliche optische Methoden nicht aus, denn das Protein ist in Nano-Größenordnungen angesiedelt, also winzig klein. „Wir konnten mittels Kryo-Elektronenmikroskopie, einem hochmodernen Verfahren der Bildgebung, die dreidimensionale Struktur des Rezeptors – im Bereich von 0,26 Nanometer – auflösen und darstellen“, sagt Nicolas Heyder, Wissenschaftler am Institut für Medizinische Physik und Biophysik und Erstautor der Studie. „Dabei haben wir den aktiven Rezeptor in zwei Komplexen mit einem Haupteffektor, dem G-protein, der im Inneren der Zelle an den Rezeptor gebunden ist, abgebildet. Die beiden Komplexe unterscheiden sich durch zwei gebundene Hormonvarianten: Setmelanotide und NDP-α-MSH, zwei Wirkstoffe, die in den letzten beiden Jahren als Medikamente zugelassen wurden und die jeweils von einem winzigen Calcium-Ion stabilisiert werden.“ Es hat sich gezeigt, dass beide Rezeptorstrukturen Unterschiede in sehr kleinen, aber wichtigen Punkten hinsichtlich der Bindung der Wirkstoffe und des G-Proteins aufweisen. „Diese molekularen Details geben wichtige Hinweise darauf, warum und wie genau verschiedene Liganden, also Informationsmoleküle, die unterschiedlichen Signalwege des MC4R spezifischer beeinflussen. Für eine pharmakologische Intervention ist das von großer Bedeutung“, erklärt Nicolas Heyder.  

Voraussetzung für eine solche Basisarbeit zu kleinsten Zellbestandteilen war neben dem Einsatz der Kryo-Elektronenmikroskopie ein langjähriges Etablieren der Proteinherstellung und -expression in Zellkulturen. Beides wurde an der Charité in Kooperation mit weltweit führenden Laboren und Experten stetig optimiert, unter ihnen Chemie-Nobelpreisträger Brian Kobilka, Professor an der Stanford University School of Medicine und Einstein Visiting Fellow am Berlin Institute of Health (BIH) in der Charité. Im Ergebnis beschreibt die Studie präzise bislang unbekannte Details in der Funktionsweise des Melanocortin-4-Rezeptors – wie er aktiviert, oder aber blockiert wird und wie ein Hormon jeweils mit dem Rezeptor-Protein interagiert und dadurch ein Signal innerhalb der Zelle auslöst. „Wir erkennen jetzt kleinste Unterschiede im Zusammenspiel von Rezeptor-Hormonvarianten, die wichtig sein können, um neue Medikamente, deren Einsatz mit Nebenwirkungen einherging, weiter zu verbessern“, sagt Dr. Scheerer. „Die genaue Struktur der Hormonbindungstasche ist nun bekannt und kann gezielt adressiert werden.“ Das ist ein Schlüssel im translationalen Verständnis zwischen endokrinologischen Aspekten, hier der Hormonregulation, und den strukturellen Eigenschaften zusammenspielender Proteine.  

Insbesondere konnte das Forschungsteam aufzeigen, wie sich ein bereits vor der Untersuchung bekannter, den Rezeptor inaktivierender Regulator – ein Antagonist – in seiner Bindung im Wesentlichen an nur einer Stelle vom aktivierenden Agonisten unterscheidet, sonst aber fast identisch gebunden ist. „Dieser Unterschied deutet sehr genau darauf hin, an welcher Stelle der Rezeptor blockiert werden kann und wo eine sensible Schalterstelle für die Aktivierung des Proteins lokalisiert ist“, so Dr. Scheerer. In künftigen Arbeiten wollen die Forschenden noch mehr über das System mit MC4R im Zentrum herausfinden und damit Ansatzpunkte für eine gezielte Beeinflussung. So gilt es nun zu verstehen, wie der Rezeptor auf molekularer Ebene durch zusätzliche Einflüsse gesteuert wird. Einige direkt interagierende Faktoren sind bereits bekannt, nicht bekannt dagegen ist, wie sie auf das Zusammenspiel einwirken.

Charité – Universitätsmedizin Berlin

Originalpublikation:

Heyder N et al. Structures of active melanocortin-4 receptor–Gs-protein complexes with NDP-α-MSH and setmelanotide. Cell Research (2021) 0:1–14; 24.September; DOI: 10.1038/s41422-021-00569-8

https://doi.org/10.1038/s41422-021-00569-8

Wie Geologie die Artenvielfalt formt

Tue, 28 Sep 2021 07:53:19 +0200

Tropische Regenwälder sind die artenreichsten Lebensräume der Erde. Sie beherbergen eine riesige Zahl von verschiedenen Pflanzen, Tieren, Pilzen und weiterer Organismen. Diese Wälder liegen mehrheitlich auf drei Kontinenten, darunter das Amazonasbecken in Südamerika, das Kongo-Becken in Zentralafrika und das riesige Inselarchipel Südostasiens.

Nun könnte man annehmen, dass alle tropischen Regenwälder aufgrund des stabil warmfeuchten Klimas und ihrer geografischen Lage rund um den Äquator in etwa gleich artenreich sind – das trifft jedoch nicht zu. Verglichen mit Südamerika und Südostasien ist die Artenzahl in feuchten Tropenwäldern Afrikas bei vielen Organismengruppen deutlich kleiner.

Palmenvielfalt in Afrika viel kleiner

Diese ungleiche Verteilung – Forschende sprechen von der «pantropischen Diversitätsdisparität» (PDD) - lässt sich anhand von Palmen gut illustrieren: Von den weltweit 2500 Arten kommen 1200 in Südostasien und 800 in den Tropenwäldern Südamerikas vor, aber nur 66 in afrikanischen Regenwäldern.

Weshalb dem so ist, ist unter Biodiversitätsforschenden umstritten. Einige Indizien sprechen dafür, dass das gegenwärtige Klima für die geringere Artenvielfalt in Afrikas Tropenwäldern die Ursache ist. So ist das Klima in Afrikas Tropengürtel trockener und kühler als das in Südostasien und Südamerika.

Andere Hinweise sprechen eher dafür, dass sich die unterschiedliche Entwicklung der Umwelt und der Plattentektonik der drei Tropenwaldzonen über Dutzende Millionen von Jahren auf die Entstehung unterschiedlich grosser Biodiversität auswirkte. Zu solchen Veränderungen gehören beispielsweise die Bildung von Gebirgen, Inseln oder Trocken- und Wüstengebieten.

Die beiden Faktoren – gegenwärtiges Klima und Umweltgeschichte - lassen sich jedoch nur schwer auseinanderhalten.

Gebirgsbildung förderte Artenvielfalt

Forschende der ETH Zürich unter der Federführung von Loïc Pellissier, Professor für Landschaftsökologie, sind nun dieser Frage mithilfe eines neuen Computermodelles nachgegangen. Dieses Modell erlaubt es ihnen, die Evolution und Diversifizierung der Arten über viele Millionen von Jahren hinweg zu simulieren. Die Forschenden kommen zum Schluss, dass das gegenwärtige Klima nicht der Hauptgrund sei, weshalb die Artenvielfalt in den Regenwäldern Afrikas geringer ist. Die Artenvielfalt, so schliessen sie aus den Simulationen, wurde durch die Dynamik der Gebirgsbildung und Klimaveränderungen hervorgebracht. Die Ergebnisse der Simulationen decken sich weitgehend mit den heute beobachtbaren Mustern der Biodiversitätsverteilung.

«Unser Modell bestätigt, dass Unterschiede in der Dynamik der frühzeitlichen Umwelt die ungleiche Verteilung der Artenvielfalt hervorbrachten und nicht aktuelle klimatische Faktoren», sagt Pellissier. «Geologische Prozesse sowie globale Temperaturflüsse bestimmen, wo und wann Arten entstehen oder aussterben.»

Entscheidend für eine hohe Artenvielfalt auf einem Kontinent ist insbesondere die Dynamik geologischer Prozesse. Aktive Plattentektonik fördert die Gebirgsbildung, wie die Anden in Südamerika, oder die Entstehung von Insel-Archipelen wie in Südostasien. Beide Prozesse führen dazu, dass sich viele neue ökologische Nischen bilden, in denen wiederum zahlreiche neue Arten entstehen. Der Regenwaldgürtel Afrikas hingegen war in den vergangenen 110 Millionen Jahre tektonisch weniger aktiv. Auch war dieser Tropenwald verhältnismässig klein, da er von Trockengebieten im Norden und Süden begrenzt war und sich nicht weiter ausdehnen konnte. «Arten aus Regenwäldern können sich kaum an die Verhältnisse der umgebenden Trockengebiete anpassen», betont Pellissier.

Neues Modell

Das von ETH-Forschenden entwickelte Modell «gen3sis» wurde erst kürzlich im Fachjournal PLoS Biology vorgestellt. Es ist ein mechanistisches Modell, in welchem die primären Rahmenbedingungen wie die Geologie und das Klima sowie die biologischen Mechanismen eingebaut sind und aus welchen die Biodiversitätsmuster hervorgehen. Um die Entstehung der Biodiversität zu simulieren, müssen folgende wichtige Prozesse im Modell integriert werden: Ökologie (jede Art hat ihre begrenzte ökologische Nische), Evolution, Artbildung (engl: speciation) und Ausbreitung (engl: dispersal).

«Mit diesen vier grundlegenden Regeln können wir die Bestandsdynamik von Organismen vor dem Hintergrund von sich verschiebenden Umweltbedingungen simulieren. Dadurch können wir auch sehr gut erklären, wie die Organismen entstanden», sagt Pellissier.

Indem die Forschenden ihr Modell auf diesen grundlegenden evolutionären Mechanismen aufbauen, können sie die Artenvielfalt simulieren, ohne dass sie es mit (Verbreitungs-)Daten für jede einzelne Art füttern müssen. Das Modell braucht jedoch Daten über die Dynamik der betrachteten Kontinente in der Erdgeschichte sowie über die Feuchtigkeit und Temperaturen aus Klimarekonstruktionen.

Pellissier und seine Mitarbeitenden sind nun dabei, das Modell zu verfeinern. Mit weiteren Simulationen wollen sie verstehen, wie Biodiversität in anderen artenreichen Regionen entstanden ist, etwa in den Gebirgen Westchinas. Der Modellcode und die Rekonstruktionen der frühzeitlichen Umwelt sind quelloffen. Alle interessierten Evolutions- und Biodiversitätsforschenden können ihn nutzen, um die Bildung von Artenvielfalt in verschiedensten Regionen der Welt zu untersuchen.

ETH Zürich

Originalpublikation:

Hagen O, Flück B, Fopp F, Cabral JS, Hartig F, Pontarp M, et al. (2021) gen3sis: A general engine for eco-evolutionary simulations of the processes that shape Earth’s biodiversity. PLoS Biol 19(7): e3001340.

doi.org/10.1371/journal.pbio.3001340