Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Neue Erkennt­nis­se zur Selbst­ver­tei­di­gung von Wasserflöhen

Vie­le „Gesich­ter“, glei­che Gene

Lebe­we­sen kön­nen trotz glei­cher gene­ti­scher Aus­stat­tung ein völ­lig ver­schie­de­nes Aus­se­hen anneh­men. Was­ser­flö­he sind dafür ein beson­ders ein­drucks­vol­les Bei­spiel. Es han­delt sich dabei, ent­ge­gen dem Namen, nicht um „Flö­he“, son­dern um Süß­was­ser-Krebs­tie­re, die als Plank­ton in ste­hen­den Gewäs­sern auf der gan­zen Welt zuhau­se sind. Sobald sie ihre Fress­fein­de auf­grund che­mi­scher Boten­stof­fe iden­ti­fi­ziert haben, ändern sie ihr Aus­se­hen. Sie rüsten sich bei­spiels­wei­se durch Hel­me, Sta­cheln oder soge­nann­te Nacken­zäh­ne, um die dro­hen­den Gefah­ren abzu­weh­ren. Die­se fle­xi­blen kör­per­li­chen Anpas­sun­gen an Fress­fein­de, die in der Bio­lo­gie als „indu­zier­ba­re Ver­tei­di­gun­gen“ bezeich­net wer­den, sind vor allem beim Bär­ti­gen Was­ser­floh (Daph­nia barba­ta) sehr viel­fäl­tig ausgeprägt.

Die­se Viel­falt haben Prof. Dr. Chri­sti­an Laforsch, der an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth den Lehr­stuhl für Tier­öko­lo­gie inne­hat, und sein Dok­to­rand Dipl.-Biol. Qui­rin Her­zog an der LMU Mün­chen genau­er unter­sucht. Im Fach­jour­nal „BMC Bio­lo­gy“ stel­len sie jetzt ihre For­schungs­er­geb­nis­se vor. Wie sie in Expe­ri­men­ten ent­deckt haben, bil­det der Bär­ti­ge Was­ser­floh einen lang­ge­zo­ge­nen Helm und einen lan­gen Schwanz­sta­chel, um sich gegen die auf dem Rücken schwim­men­de Was­ser­wan­ze Notonec­ta zu schüt­zen; gegen den Urzeit­krebs Triops setzt er sich jedoch mit einem nach hin­ten gekrümm­ten Helm und einem krum­men Schwanz­sta­chel zur Wehr. Ohne die gefähr­li­che Nähe zu die­sen Fress­fein­den wür­den sich der­art dif­fe­ren­zier­te Abwehr­in­stru­men­te beim Bär­ti­gen Was­ser­floh nie­mals herausbilden.

„Wir haben es hier mit beson­ders auf­fäl­li­gen Bei­spie­len für soge­nann­te phä­no­ty­pi­sche Pla­sti­zi­tät zu tun“, erklärt Qui­rin Her­zog. „Nicht nur bei Was­ser­flö­hen, son­dern bei prak­tisch jedem Lebe­we­sen, auch beim Men­schen, ist die­ses Phä­no­men viel­fach anzu­tref­fen – etwa wenn die Haut unter dem Ein­fluss des Son­nen­lichts braun wird oder wenn der Kör­per infol­ge von Imp­fun­gen gegen bestimm­te Viren immun wird.“

Spe­zi­fi­sche Abwehr­me­cha­nis­men: Eine opti­ma­le Anpas­sung an die Umwelt?

Bie­ten die Abwehr­me­cha­nis­men, mit denen sich die Was­ser­flö­he gegen unter­schied­li­che Fress­fein­de weh­ren, jeweils den wir­kungs­voll­sten Schutz? „Natür­li­che Selek­ti­on bedingt, dass sich Lebe­we­sen opti­mal an ihre Umwelt anpas­sen“, erklärt Prof. Chri­sti­an Laforsch. „Man soll­te also anneh­men, dass, wenn ein Orga­nis­mus spe­zi­fi­sche Abwehr­me­cha­nis­men besitzt, die­se jeweils die beste Ver­tei­di­gung dar­stel­len. Wir erwar­te­ten daher, dass der krum­me Helm, mit dem sich der Bär­ti­ge Was­ser­floh gegen die Urzeit­kreb­se ver­tei­digt, ihn bes­ser vor die­sen Fress­fein­den schützt als der lang­ge­streck­te Helm, der gegen die Was­ser­wan­zen gebil­det wird.“

Umso über­rasch­ter waren die Wis­sen­schaft­ler, als sie die­se Hypo­the­se im Labor über­prüf­ten. Zwar stell­te sich her­aus, dass der lang­ge­zo­ge­ne Helm, ver­gli­chen mit dem krum­men Helm, den Bär­ti­gen Was­ser­floh bes­ser gegen die Was­ser­wan­zen schützt. Doch wenn er sich gegen die Urzeit­kreb­se weh­ren muss, ist die­ser Helm schein­bar eben­so geeig­net – nicht schlech­ter als der nach hin­ten gekrümm­te Helm.

Wie ist die­ser Befund damit zu ver­ein­ba­ren, dass Was­ser­flö­he opti­mal an ihre natür­li­che Umwelt ange­passt sind? Ist im Ver­lauf der Evo­lu­ti­on eine Viel­falt von Abwehr­me­cha­nis­men ent­stan­den, die für einen wir­kungs­vol­len Schutz gegen natür­li­che Fein­de nicht zwin­gend erfor­der­lich ist? Dies ist eher unwahr­schein­lich. Denn eine neue spe­zi­fi­sche Ver­tei­di­gung hät­te sich, ohne einen beson­de­ren Vor­teil zu haben, nicht durch­set­zen kön­nen; sie wäre gege­be­nen­falls durch eine bes­se­re Ver­tei­di­gung ver­drängt wor­den und könn­te neben die­ser nicht exi­stie­ren. Daher sehen die bei­den Autoren der Stu­die zwei Mög­lich­kei­ten: Ent­we­der es exi­stiert ein noch ver­bor­ge­ner grö­ße­rer Nut­zen der spe­zi­fi­schen Ver­tei­di­gung gegen die Urzeit­kreb­se; oder die­se Ver­tei­di­gung besitzt den­sel­ben Nut­zen wie die Ver­tei­di­gung gegen die Was­ser­wan­zen, ver­ur­sacht aber dem Was­ser­floh gerin­ge­re Kosten und ist damit effizienter.

Um der­ar­ti­gen Zusam­men­hän­gen auf den Grund zu gehen, haben Prof. Chri­sti­an Laforsch und Qui­rin Her­zog ein neu­es Kon­zept ent­wickelt, das sie in „BMC Bio­lo­gy“ erst­mals der Fach­welt vor­stel­len. Das Kon­zept unter­stützt das Ver­ständ­nis bio­lo­gi­scher Syste­me, in denen eine Tier­art ver­schie­de­nen Arten von Fein­den aus­ge­setzt ist. Es hilft dabei, sol­che Syste­me zu kate­go­ri­sie­ren und zu ver­glei­chen – und soll letzt­lich auch das evo­lu­ti­ons­bio­lo­gi­sche Rät­sel lösen kön­nen, wes­halb der Bär­ti­ge Was­ser­floh bei glei­cher gene­ti­scher Aus­stat­tung so vie­le ver­schie­de­ne Gesich­ter hat.

Hin­ter­grund:

Was­ser­flö­he sind heu­te für die wis­sen­schaft­li­che For­schung vor allem aus zwei Grün­den inter­es­sant: Zum einen pflan­zen sie sich haupt­säch­lich durch „Jung­fern­zeu­gung“ fort, also eine natür­li­che Art des Klo­nens, bei dem Weib­chen sich ohne Männ­chen fort­pflan­zen und wie­der Weib­chen her­vor­brin­gen. Zum ande­ren reagie­ren sie, wie nicht zuletzt an den „indu­zier­ten Ver­tei­di­gun­gen“ gegen Fress­fein­de deut­lich wird, höchst sen­si­tiv auf Ver­än­de­run­gen in ihrer Umwelt. Daher wer­den Was­ser­flö­he heu­te als Modell­orga­nis­men in der Öko­lo­gie, der Evo­lu­ti­ons­bio­lo­gie, der (Öko-)Toxikologie und sogar in der bio­me­di­zi­ni­schen For­schung verwendet.

Ver­öf­fent­li­chung:

Qui­rin Her­zog and Chri­sti­an Laforsch, Moda­li­ty mat­ters for the expres­si­on of indu­ci­ble defen­ses: intro­du­cing a con­cept of pre­d­a­tor moda­li­ty, in: BMC Bio­lo­gy 2013, 11:113,
DOI: 10.1186/1741–7007-11–113

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