Seit Jahrhunderten bewegt sie die Wissenschaft und zählt auch heute noch zu den aktuellsten Fragen der Evolutions- und Biodiversitätsforschung: Wie entstehen neue Arten? Potsdamer Biologen suchen im Verhalten und im Erbmaterial afrikanischer Nilhechte nach den Mechanismen, die dazu führen, dass sich aus einer Gruppe von Individuen derselben Art zwei unterschiedliche Arten herausbilden können. Die schwach elektrischen Fische scheinen einen besonderen Weg in der Evolution gegangen zu sein.
Es ist gerade Fütterungszeit. Durchsichtige Mückenlarven treiben zuckend in den großen und kleinen Aquarien. Die Nilhechte in den Becken bleiben trotzdem meist in ihren Verstecken aus braunen Plastikrohren. Nur ab und an huscht ein Fisch hinaus. „Die Tiere sind nachtaktiv“, erklärt die Biologin Rebecca Nagel, die hier in der Arbeitsgruppe für Evolutionsbiologie das Verhalten der Nilhechte studiert. Ist es hell, bleiben sie lieber im Verborgenen. Warum die Nilhechte auch die Namen Elefantenfisch und Tapirfisch tragen, wird sofort klar, wenn man die braun-grauen, etwa handgroßen Tiere zu Gesicht bekommt: Das Fischmaul ist auffällig gebogen und rüsselartig verlängert. Ihre Heimat sind die afrikanischen Flüsse südlich der Sahara. Hier durchwühlen die Tiere mit ihren Rüsseln den schlammigen Boden und suchen nach Insektenlarven. Doch Rebecca Nagel interessiert sich weniger für dieses ins Auge springende Merkmal als für eine zweite – nicht sichtbare – Besonderheit: An der Wurzel der Schwanzflosse sitzt ein spezielles Organ, mit dem Nilhechte schwache elektrische Signale produzieren. Ähnlich wie bei Fledermäusen nehmen die Tiere mithilfe der Impulse und auf dem gesamten Körper verteilten Rezeptoren ihre Umgebung wahr – denn sie leben meist in sehr trübem Wasser. Mit den Augen könnten sie sich hier kaum orientieren.
Und scheinbar sind die elektrischen Signale zugleich wichtig für das Liebesleben der Fische. „Unsere Hypothese ist, dass die elektrischen Impulse auch eine soziale Aufgabe haben“, erklärt Rebecca Nagel. Dank der Signale – so die Vermutung – erkennen die Fische einander. Denn in den trüben Strömen des Kongos oder des Nils leben verschiedene Arten von Nilhechten häufig dicht beieinander. Die elektrischen Entladungen sind bei jeder Art etwas anders ausgeprägt. Was für menschliche Ohren ein diffuses Knacken und Rauschen ist, könnte für Nilhechte ein Erkennungsmerkmal für Artgenossen und potenzielle Paarungspartner sein. Das Verblüffende: „Je näher die Arten miteinander verwandt sind, desto unterschiedlicher sind die Signale.“ Dies hätten vorangegangene Untersuchungen der Arbeitsgruppe gezeigt, erläutert Rebecca Nagel, die ihre Doktorarbeit über die Nilhechte schreibt. „Fische, die sehr eng miteinander verwandt sind, können sich durch die Signale besser voneinander abgrenzen.“
Die Biologin möchte nun mit Verhaltensbeobachtungen herausfinden, ob männliche Nilhechte Weibchen derselben Art gezielt nach ihrem elektrischen Erkennungscode auswählen. Für Evolutionsbiologen sind die Nilhechte besonders interessant, da sie sehr artenreich sind. Die Ursache für die Artbildung könnte dabei die Fähigkeit zur Kommunikation mit elektrischen Signalen sein. Als reproduktive Isolation bezeichnen Biologen die Unterbrechung des Genflusses zwischen Populationen, die ursprünglich derselben Art angehören. Es paaren sich also nur noch Individuen, die zu einer bestimmten abgegrenzten Gruppe gehören. Reproduktive Isolation gilt als wesentlicher Faktor für die Entstehung neuer Arten. Meist sind geografische Barrieren Ursache der Isolation. Die Darwinfinken auf den Galapagosinseln sind wohl das bekannteste Beispiel hierfür. Möglicherweise haben die spezifischen Signale der Nilhechte eine ähnliche Barrierewirkung und könnten einst einen Evolutionsschub ausgelöst haben.
Die Untersuchungen sind im Projekt „Funktionelle GENomik biologischer ARTbildung“ (GENART) angesiedelt, das von der Leibniz-Gemeinschaft gefördert wird. Ein Netzwerk von Molekulargenetikern, Neuroethologen, Bioinformatikern und Evolutionsbiologen erforscht darin die Genome dreier evolutionär erfolgreicher Tiergruppen – neben den Nilhechten sind dies Feldheuschrecken und Grillen – und identifiziert die für die Artbildung wesentlichen Gene und deren Funktion. Auf Potsdamer Seite leitet Ralph Tiedemann, Professor für Evolutionsbiologie und spezielle Zoologie, das Projekt in enger Kooperation mit Professor Dr. Frank Kirschbaum von der Humboldt-Universität zu Berlin.
Etwa zwei Meter lang ist das Aquarium, in dem die Versuche von Rebecca Nagel stattfinden. Mit Gittern ist das Becken in drei Bereiche aufgeteilt. In der Mitte schwimmt das Männchen, rechts und links jeweils ein Weibchen – ein arteigenes und ein artfremdes. Wenn um 17 Uhr das Licht ausgeht, beginnt eine Kamera, die Fischbewegungen aufzuzeichnen. Zwölf Stunden lang erfasst sie, in welchem Bereich sich der Nilhecht aufhält. Hat er eine Vorliebe für die Seite, auf der sich das arteigene Weibchen aufhält?
Am nächsten Morgen beginnt für Rebecca Nagel die Auswertung des Versuchs. Das Video der nächtlichen Fischaktivitäten zeigt eine schwarze Fischsilhouette vor einem hellen Hintergrund. Gestrichelte Linien auf beiden Seiten der Aquarienscheibe markieren Grenzen zwischen verschiedenen Bereichen des Beckens. Überschwimmt der Fisch diese Grenzen, zählt dies als Annäherung an ein Weibchen. 20 Nilhecht-Paare, die zwei unterschiedlichen Arten angehören, untersucht die Biologin auf diese Art und Weise. Stundenlang Videos anzusehen, bleibt ihr jedoch erspart – eine Software analysiert, wie viel Zeit das Männchen in welchem Abschnitt des Aquariums verbringt.
Um auszuschließen, dass die männlichen Nilhechte auf andere Signale wie etwa chemische Botenstoffe oder visuelle Reize reagieren, führt die Wissenschaftlerin einen zweiten Versuch durch. Diesmal befinden sich in den beiden äußeren Bereichen des Beckens keine Fischweibchen, sondern lediglich Elektroden, die die typischen elektrischen Signale des jeweiligen Weibchens imitieren. Kann Rebecca Nagel zeigen, dass sich in beiden Versuchen das Männchen häufiger im Bereich des arteigenen Signals aufhält, wäre dies ein valider Hinweis für ihre Hypothese. Und damit eine Erklärung dafür, wie sich in einem Lebensraum ohne geografische Barrieren unterschiedliche Arten ausbilden konnten. In einem anschließenden Schritt wird Rebecca Nagel mit künstlich erzeugten Signalen testen, ob die Tiere auch leicht veränderte Muster noch als arteigen erkennen und wie groß der Spielraum dabei ist.
Mit genetischen Untersuchungen möchte die Biologin schließlich herausfinden, wie sich das elektrische Organ der Nilhechte herausbilden konnte und wie genau es funktioniert. Denn dies ist noch nicht endgültig geklärt. Bereits jetzt wissen die Forscher, dass sich das Organ aus den Skelettmuskeln entwickelte. Rebecca Nagel untersucht nun Zellen des Skelettmuskels und des elektrischen Organs an der Schwanzwurzel der Fische hinsichtlich ihrer Genaktivitäten. Die Vermutung der Forscherin: Die Gene für die Ionenkanäle in den Zellwänden beider Zelltypen sind unterschiedlich aktiv – und sie sind für die Entstehung der Signale verantwortlich. Im elektrischen Organ erwartet sie eine höhere Aktivität der Gene – und hätte damit ein Indiz für die evolutionäre Entstehung der typischen Signale. „Bei Fischen gibt es eine sogenannte fischspezifische Genduplikation“, erklärt Rebecca Nagel. Bestimmte Gengruppen sind im Genom der Fische also doppelt vorhanden. „Wir vermuten, dass die Entstehung des elektrischen Organs im Zusammenhang mit dieser Duplikation steht.“ Denn an den doppelt vorhandenen Genomabschnitten können Mutationen stattfinden, ohne dass daraus ein selektiver Nachteil für die Organismen entsteht, da noch ein intaktes Gen vorhanden ist, das die ursprüngliche Funktion erfüllen kann. Genduplikationen gelten als Motor der Evolution, da die doppelt vorhandenen Gene neue Funktionen entwickeln können. Möglicherweise hat dieser Mechanismus bei den afrikanischen Nilhechten dazu geführt, dass sich die Tiere untereinander elektrisch verständigen und von anderen Gruppen abgrenzen können – und damit besonders viele Arten ausbilden konnten.
Die Wissenschaftlerin
Rebecca Nagel studierte Biologie und Molekularökologie in Rochester (New York) und Mainz. Seit 2014 arbeitet sie an der Universität Potsdam an ihrer Doktorarbeit.
Kontakt
Universität Potsdam
Institut für Biochemie und Biologie
Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
E-Mail: rnageluuni-potsdampde
Das Projekt
GENART: Funktionelle GENomik biologischer ARTbildung
Beteiligt: Museum für Naturkunde – Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung an der Humboldt-Universität zu Berlin, Universität Potsdam, Berlin Centre for Genomics in Biodiversity Research (BeGenDiv), Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW), Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) des Max-Delbrück-Zentrums für Molekulare Medizin
Laufzeit: 2012–2015
Förderung: Leibniz-Gemeinschaft
Internet: http://www.naturkundemuseum-berlin.de/forschung/genart
Text: Heike Kampe
Online gestellt: Agnes Bressa
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktionuuni-potsdampde