Der dreistachlige Stichling ist ein Fisch, der für Evolutionsbiologen fast so wertvoll ist wie Drosophila und die Wanderratte. Ein Hauptunterschied ist dabei aber dass diese Fische wertvoller sind, wenn sie nicht bis zur Unkenntlichkeit gekreuzt werden. Unsere Laborratte ist mittlerweile eine Unterart der Wanderratte Rattus norvegicus und von den Taufliegen (nicht Fruchtfliegen, wie häufig angenommen wird) gibt es so viele Mutanten dass man leicht vergessen könnte welches doch jetzt der Wildtyp war. Nein, Stichlinge werden meist direkt aus der Natur genommen, denn dort haben sie ein paar außergewöhnliche Eigenschaften angenommen.

Stichlinge sind bis zu 10 cm große Meeresfische. Aber nach der letzten Eiszeit begannen sie Süßgewässer zu besiedeln. Im Meer besitzen sie meist eine Art Rüstung, mit Stacheln auf der Rückenflosse und Knochenplatten anstatt von Schuppen. Zur Paarungszeit nehmen viele Arten beeindruckende Farben an, mit denen sie um die Weibchen werben. Findet ein Männchen seinen Partner, folgt er ihr meist in eine Art Höhle in der er sie durch Anstoßen zur Eiablage animiert. Dann verschwindet das Weibchen und der Stichling befruchtet die gelegten Eier. Der Herr ist es hier auch der sich um die Brutpflege kümmert indem er durch Wedeln genug Sauerstoff beschafft.

Schon Niko Tinbergen führte Versuche an dem Stichling durch. Das war 1952. Mittlerweile hat sich dieser Fisch zu einem Modetier für Evolution und phänotypische Plastizität entwickelt. Denn Stichlinge sind ausgeprägte Wanderer. Da eine unterschiedliche Umwelt viele veränderte Faktoren mit sich bringt (z.B. andere Temperatur, stärkere Regenwahrscheinlichkeit, neue Raubtiere), haben Stichlinge sich so entwickelt, dass sie je nach Umwelt unterschiedliche Phänotypen ausprägen. Besonders Prädatoren beeinflussen das Verhalten aber auch morphologische Veränderungen (etwa die Intensität der Färbung) variieren sobald ein Stichling von Salz- ins Süßwasser gelangt. Diese von der Umwelt kontrollierte Plastizität erlaubt ihnen das Überleben in variablen Lebensräumen und deshalb auch das Wandern in neue Gebiete.

Doch phänotypische Plastizität alleine hat es den Fischen nicht erlaubt, den Sprung vom Meer in die Seen zu machen. Letztes Jahr hat Rowan Barrett von der Universität in British Columbia, Kanada, entdeckt dass ein Gen, das bei Süßwasser-Unterarten die Knochenplatten reduziert, außerdem für die Tendenz zur Wanderung verantwortlich ist. Tiere mit einem bestimmten Allel dieses Gens wandern eher zu anderen Gewässern, wobei es sich dabei nicht um eine Präferenz für höheren oder geringeren Salzgehalt handelt. Das Wandern alleine macht den Unterschied.

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Oben: Marine Stichlinge (das bunte Männchen ist unten); Unten: Rowan Barrett und Kollegen testen wie kalt das Wasser ist. (Quelle: Rowan Barrett, UBC)

Nun hat Barrett ein Experiment gemacht, von dem die Vancouver Sun (hoffentlich nicht die kanadische Variante der berüchtigten The Sun) behauptet dass es „eine der schnellsten evolutionären Reaktionen” zeigt, die von Wissenschaftlern bisher beobachtet wurden. (Was die Zeitung meinte ist dass es einer der schnellsten Fälle von in der Natur beobachteter phenotypischer Adaption ist.) Barrets Team transferierte Stichlinge aus dem Meer in einen Süßwassersee und untersuchte welche Tiefsttemperaturen die Fische aushielten. Innerhalb von drei Generationen hat sich der Mittelwert der Kältetoleranz um 2,5 °C nach unten verlagert. Dabei ist es nicht phänotypische Plastizität, sondern starker Selektionsdruck, der dafür gesorgt hat, dass der dreistachlige Stichling im Experiment sich an eine neue Umgebung anpassen kann.

Der Unterschied ist ganz einfach der: In einem Fall sind verschiedene Allele in der Population, die mitunter für variable Kältetoleranz verantwortlich sind, und bei einem starken Selektionsdruck verschiebt sich die Allelfrequenz innerhalb der Population bei der Umsiedlung in einen neuen Lebensraum, i.e. ins Süßwasser, hin zur stärkeren Toleranz. Phänotypische Plastizität hingegen braucht keine verschiedenen Allele; der individuelle Fisch hat die Fähigkeit, seinen Phänotyp zu ändern. Das passiert durch verstärkte Genregulation, gesteigerte Hormonproduktion und andere physiologische Prozesse.

Während in diesem Experiment die Stichlinge sich über ganz wenige Generationen an neue Temperaturen angepasst haben, heißt das jedoch nicht dass sie gegen starke Klimaschwankungen immun sind. Die experimentelle Süßwasser-Population, so sagt Barrett, ist nach der dritten Generation in einem der kältesten Winter seit Temperaturaufzeichnung komplett umgekommen. Drei Generationen haben also anscheinend nicht genügt um sich auf solch einen verhängnisvollen Temperatursturz vorzubereiten.

Rowan Barrett hat übrigens in der letzten Woche seinen Doktortitel offiziell bekommen. Dazu sage ich nur: Glückwunsch!


Quelle: Proceedings of the Royal Society B, online first

Kommentare (7)

  1. #1 JV
    August 7, 2010

    Fruchtfliegen und Taufliegen sind nicht identisch? Das wusste ich nicht.

  2. #2 rolak
    August 7, 2010

    Ja JV,da hab ich auch gestutzt, doch mein Glaube trägt mich fest und sicher — nein, schnell nachgesehen und dazugelernt 😉 (=»Hinweis zum Begriff „Fruchtfliege“) Wird aber wohl nur für höchst spezielle Lebensbereiche und natürlich Pedanten relevant sein, da kann ich mir im Alltag das Nachdenken über die richtige Benennung sparen…

  3. #3 Joe Dramiga
    August 9, 2010

    Wenn ich die richtig verstehe gehst Du also bei der Entwicklung der Kälteresistenz der ehemals marinen Stichlinge von einer Allelfrequenzverschiebung aus, ähnlich wie sie Niko Winkler bei dem Verlust der Knochenplatten bei den Süßwasser-Arten beschreibt?
    http://www.wort-und-wissen.de/index2.php?artikel=sij//sij122/sij122-7.html.

    Vermutlich haben Stichlinge, im Vergleich mit nah verwandten Arten, eine relativ hohe Zahl an Allelen in jedem Genort. Gibt es dazu Antworten im Genom des Stichlings? Alexander von “Alles was lebt” hat ja hier schon Ansätze aufgezeigt wie die Forschung dann weitergehen könnte.
    http://www.scienceblogs.de/alles-was-lebt/2009/05/gepanzerte-fische-und-zerstuckelte-dna.php

  4. #4 Nils
    August 10, 2010

    @Joe:
    Es gab hier genug genetische Vielfalt um die Toleranzgrenze zu verschieben. Verschiedene Allele waren also vorhanden, daher ist es anzunehmen dass es bei so kurzer Zeit Selektion auf entsprechende Allele gab, die zu der Verschiebung der Grenze geführt hat. In wie weit das jetzt typisch für den Stichling ist, kann ich nicht sagen. Soweit ich weiß variiert die Anzahl der Allele sehr stark zwischen marinen und limnischen. Es gibt u.a. Studien zur Häufigkeit von “private alleles”, Allele die einzigartig in Populationen sind, wobei diese in limnischen Populationen z.T. stark erhöht sind. Ich könnte mir vorstellen, dass Stichlinge vielleicht mehr Allele an manchen Loci haben als andere Fischarten, aber das ist nur eine Hypothese. Das Stichling-Genom ist ja mittlerweile sequenziert, aber meines Wissens gibt es in der Hinsicht bislang keine Vergleiche zu dem von anderen Fischen.

  5. #5 Joe Dramiga
    August 10, 2010

    Hier könnte ich mir einen Reverse Genetics-Ansatz vorstellen in dem man verschiedene Stichlingsarten über mehrere Generationen verschiedenen Umweltbedingungen aussetzt und dann eine bestimmte Anzahl von Fischen nimmt und anschließend bestimmte Genloci auf ihre Allelhäufigkeit sequenziert. (Wie groß müßte die Stichprobe für eine Population bestimmter Größe sein? ….Darum sollen sich die Statistiker kümmern…).
    Zusätzlich könnte man auch im Labor bestimmte abiotische Faktoren ändern. Für einen bestimmten abiotischen Faktor würde ich bei euryöken Arten, im Vergleich zu stenöken Arten, eine größere Anzahl von Allelen bei bestimmten Genloci erwarten die die physiologische Toleranz gegenüber diesen abiotischen Faktor mit beeinflussen.

  6. #6 Redfox
    August 18, 2010

    Hitzeresistenz wäre für Fische in Kanada allerdings interessanter.

  7. #7 Geoman
    August 23, 2010

    @Niels

    schrieb in einem Kommentar:

    “Es gab hier genug genetische Vielfalt um die Toleranzgrenze zu verschieben. Verschiedene Allele waren also vorhanden, daher ist es anzunehmen dass es bei so kurzer Zeit Selektion auf entsprechende Allele gab, die zu der Verschiebung der Grenze geführt hat. In wie weit das jetzt typisch für den Stichling ist, kann ich nicht sagen.”

    Das ist sicherlich kein Einzelfall, sondern eher die Regel und wir darwinistisch verzogenen Menschen sollten wieder lernen, uns darüber zu wundern, dass das, was heute als schnelle Mikroevolution bezeichnet wird, keine mutative Anpassung an veränderte Umweltbedingungen ist, sondern nur eine Verschiebung von Allelfrequenzen.

    Mit anderen Worten die Varianz ist im Genom immer schon da, bevor sie gebraucht wird. Fragt sich, wo sie herkommt und wie sie sich unter der Fuchtel der natürlichen Selektion auch bei ungeeigneten Umweltbedingungen so mühelos erhalten kann? Oder sollte der liebe Gott hier auf und natürlich auch unter Erden tatsächlich einen variantenreichen großen Tiergarten haben?!

    und einleitend zu seinem Blogpost:

    “Der dreistachlige Stichling ist ein Fisch, der für Evolutionsbiologen fast so wertvoll ist wie Drosophila und die Wanderratte.”

    Zumindest räumlich oder institutionell stehst der evolutionären Forschung ja recht nahe. Deshalb kannst Du vielleicht darüber aufklären, weshalb Du “Drosphila” und “Wanderatte” in einem Atemzug bezüglich ihrer Bedeutung für die Evolutionsbiologie nennst?

    Mir ist die Wanderatte noch in so gut wie keiner evolutionsbiologischen Veröffentlichung begegnet. Ich dachte bisher, die hätte mehr Bedeutung für Verhaltensforscher oder bei Medikamentenversuchen etc.