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Evolutionsbiologie

Warum sollten Wasserflöhe Sex haben?

Von Juliette Irmer
 - 14:00
Plankton, Wasserflöhe und Volvox Grünalgen unter dem Lichtmikroskop

Wasserflöhe lassen die Herzen vieler Biologen höher schlagen, denn sie sind wahre Meister in Sachen Anpassung. Anders als der Name es vermuten lässt, handelt es sich hier um keine Insekten, sondern um Krebse, die Seen, Teiche und sogar Felstümpel besiedeln. Legendär ist die Art und Weise ihrer Fortpflanzung: Bei guten Umweltbedingungen vermehren sich Wasserfloh-Weibchen asexuell durch Jungfernzeugung, das heißt, sie produzieren Eier, aus denen genetisch identische Töchter schlüpfen – natürliche Klone der Mutter. Entsteht eine Mangelsituation, etwa durch zu wenig Nahrung oder einen sinkenden Wasserspiegel, setzen die Weibchen auf Vermehrung durch Sex: Sie produzieren nun Töchter und Söhne gleichermaßen, die die Eier der nachfolgenden Wasserfloh-Generation befruchten.

Schon lange geben die Minikrebse Evolutionsbiologen Rätsel auf. Nun kommt ein weiteres hinzu: In den „Proceedings“ der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften berichten amerikanische und französische Forscher von einer neu entdeckten Vermehrungsvariante: „In manchen Populationen existieren auch Weibchen, die keine Söhne hervorbringen können“, erklärt Michael Lynch, Direktor des Biodesign Center for Mechanisms of Evolution der Arizona State University.

Mit Wasserflöhen ist im Allgemeinen die Gattung Daphnia mit rund 200 Arten gemeint. Besonders gut untersucht und in der Forschung ein beliebter Modellorganismus ist Daphnia pulex. Die etwa drei Millimeter kleinen Tiere offenbaren ihr Aussehen erst unter dem Mikroskop: Rundlicher Körper, große Augen und lange Borstenantennen, mit denen sie sich fortbewegen.

Ein einzelnes verantwortliches Gen

Um die genetische Ursache der Männchen-Produktion beziehungsweise -Nichtproduktion zu finden, nahmen Lynch und seine Kollegen das Erbgut der Tierchen unter die Lupe. Durch den Erbgutvergleich von Daphnien, die Weibchen und Männchen produzieren können, mit solchen, die nur Weibchen hervorbringen („None Male Producing“, kurz NMP), konnten Lynch und seine Kollegen schließlich fünf genetische Varianten identifizieren, die ausschließlich bei NMP-Krebsen vorkommen: Alle fünf Varianten finden sich in einem einzelnen Gen mit der Bezeichnung 8960. „Das bedeutet, dass die Änderung im Paarungssystem durch ein einzelnes Gen hervorgerufen worden sein könnte“, sagt Lynch. Die Ergebnisse könnten praktische Anwendung in der Schädlingsbekämpfung finden, wenn man etwa einen Weg fände, die Bildung von Insekten-Männchen zu unterbinden.

Doch wie lässt sich die neu entdeckte Fortpflanzungsstrategie evolutionsbiologisch einordnen? „Ein Vorteil, keine Männchen zu produzieren, hängt mit den möglichen negativen Konsequenzen von Inzucht zusammen“, erklärt der Biologe Markus Möst von der Universität Innsbruck, der selbst an den Tieren forscht. Ein Daphnien-Klon, der sowohl Männchen als auch Weibchen produziert, läuft Gefahr, dass sich die Weibchen mit Männchen desselben Klons paaren, was zur Ansammlung von genetischen Fehlern führen kann. Einem Klon, der keine Männchen produziert, kann das nicht passieren. Die Weibchen werden bei der sexuellen Fortpflanzung zwangsläufig von Männchen anderer Klone begattet, wodurch Inzucht verhindert wird.

Die doppelten Kosten von Sex

„Die Evolution von Sex ist nach wie vor eine komplexe und zentrale Frage der Evolutionsbiologie und Daphnien sind dafür ein exzellenter Studienorganismus“, so Möst. Die gängigen Überlegungen dazu lauten folgendermaßen: Sex hat den Nachteil, dass Männchen produziert werden müssen, die selbst keine Nachkommen gebären können – biologisch betrachtet eine Sackgasse. „Damit halbiert sich pro Kopf die Geburtenrate einer sexuellen Population im Vergleich zu einer asexuellen Population, was auch als ,the two-fold cost of sex‘ bekannt ist“, erläutert Möst. Sex kompensiert diese Kosten aber mit einem großen Vorteil: der Rekombination des Erbmaterials. Die neu entstehende genetische Variation kann bei sich ändernden Umweltbedingungen oder der Abwehr von Parasiten von Vorteil sein. Außerdem werden durch die Vermischung des Erbmaterials auch schädliche Mutationen eliminiert.

„Die sexuelle Reproduktion bei Daphnien hat aber auch eine ökologische Bedeutung“, sagt Klaus Schwenk von der Universität Landau, „bei der sexuellen Fortpflanzung von Daphnien entstehen Dauereier, die es ihnen ermöglichen, ungünstige Umweltbedingungen zu überleben oder zu anderen Gewässern zu migrieren.“ Diese Eier umgibt eine äußerst robuste Haut, das sogenannte Ephippium, wodurch sie Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte überdauern können. Ein Teil der Eier sinkt zu Boden und überdauert im Sediment. Ein anderer Teil gelangt an die Wasseroberfläche, wo die Eier von Vögeln oder Fröschen weitertransportiert werden.

Verzögerte Fortpflanzung nach Jahrzehnten

Daphnien nehmen in der Ökologie stehender Gewässer eine Schlüsselrolle ein: Sie sind die Hauptalgenfresser und selbst eine wichtige Futterquelle für Fische. Ihr Fehlen kann drastische Konsequenzen für das Ökosystem haben. Indem Wissenschaftler testen, wie Daphnien auf Industrieabwässer, Algenblüten und hohe Wassertemperaturen reagieren, können sie sich eine Vorstellung davon machen, wie Umweltveränderungen, die durch Landwirtschaft oder Klimawandel hervorgerufen werden, die Krebspopulationen beeinflussen. Auch die Dauereier bieten interessante Einblicke, da sie im Labor auch nach Jahrzehnten wieder zum Leben erweckt werden können: „Wir arbeiten an der Rekonstruktion evolutiver Prozesse, etwa der Anpassung an den Klimawandel, durch die Analyse von Dauereiern“, erklärt Schwenk.

Lynch möchte in einem nächsten Schritt mit Hilfe der Genschere Crispr das Gen 8960 gezielt verändern und die Auswirkungen testen. Außerdem sequenzieren er und seine Kollegen die Genome weiterer Daphnien-Arten. „Auf dem molekularen Level gibt es bessere Systeme, etwa Fliegen oder Würmer, deren Ökologie ist aber nicht so gut verstanden wie die der Daphnien“, so Lynch, „wahrscheinlich gibt es kein anderes Tier, das häufiger Gegenstand ökologischer Studien war, als Daphnien. Das macht sie zu einem soliden System, mit dem wir eine Brücke schlagen können zwischen Ökologie und Genetik.“

Quelle: F.A.Z.
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