Parallele Anpassung bei Stichlingen

Abb. 1: Die drei im Text genannten Ausprägungen von Stichlingen. (Aus Haenel et al. 2019; CC BY 4.0)

Der Dreistachelige Stichling (Gasterosteus aculeatus) gehört zu den meistuntersuchten Tieren in der Freilandforschung. Er kommt in Küstengewässern und im Süßwasser der Nordhemisphäre vor. Der ca. 10 cm lange Fisch tritt in verschiedenen Formen auf: Die im Meer lebenden Stichlinge besitzen seitliche Panzerplatten, z. T. mit stachligen Auswüchsen, vermutlich ein Schutz vor Raubfischen. Die Süßwasser-Stichlinge dagegen besitzen entweder verkleinerte oder gar keine Seitenstacheln und Panzerplatten (Abb. 1), was mit dem geringen Angebot an Calcium für den Knochenaufbau oder mit dem Fehlen von nur im Meer lebenden Raubfischen zusammenhängen könnte.

Die Erforschung von Neubesiedlungen von Inseln im Gebiet der Südküste von Alaska durch diese Fischart brachte das Ergebnis, dass verschiedene Ausprägungen in der Ausrüstung mit Rückenstacheln und seitlichen Panzerplatten sich schnell ändern können und auf einer präexistenten Vielfalt beruhen (Lescak et al. 2015; vgl. Junker 2016).

Abb. 2: Geographische Lage der alkalischen (blauen) und sauren (roten) Seen auf North Uist, einer Insel der Äußeren Hebriden, Schottland, mit ihren Verbindungen zum Meer, die als feine blaue Linien dargestellt sind (der Ausgang von FEIT ist ungewiss). Die grauen Pfeile zeigen die beiden Küstenlagunen an, in denen die im Meer lebenden Stichlinge entnommen wurden. Die Vier-Buchstaben-Abkürzungen stehen für verschiedene Lokalitäten. (Aus Haenel et al. 2019; CC BY 4.0)

Stichlinge kommen auch in zahlreichen Seen Schottlands vor und haben diese unabhängig nach der letzten Eiszeit besiedelt. Die Seen unterscheiden sich aufgrund eines markant verschiedenen geologischen Untergrunds durch ihren pH-Wert (mehr sauer oder mehr alkalisch). Die Seen im Westen sind alkalisch und meso- bis eutrophisch (mittlere bis gute Nährstoffversorgung), im Osten sind sie sauer und nährstoffarm und weisen relativ wenig gelöste Ionen auf; so ist die Calciumkonzentration etwa zehnmal geringer als in den alkalischen Seen. Haenel et al. (2019) untersuchten je fünf Populationen aus den alkalischen und sauren Seen der Insel North Uist der Äußeren Hebriden und zwei marine Populationen. Entsprechend den Unterschieden im pH-Wert der Seen (alkalisch/sauer) unterscheiden sich die Fische in der Panzerung. Während die Fische in alkalischen Seen gegenüber den marinen Formen deutlich reduzierte Stacheln und Panzerung aufweisen, besitzen Fische aus sauren Seen fast gar keine Stacheln oder Seitenpanzer und sie sind auch viel kleiner. Die Fische in den jeweiligen Seetypen sind untereinander jedoch sehr ähnlich, obwohl diese Ähnlichkeiten ausgehend von einer marinen Population jeweils unabhängig erworben wurden.

Die Forscher hatten hier die seltene Möglichkeit eines Vergleichs der in den Seen vorkommenden Formen mit der im Meer lebenden Vorfahrenpopulation unter der plausiblen Annahme, dass sich deren Aussehen und genetische Ausstattung seit der Besiedlung der Seen bis heute nicht nennenswert geändert hat. Es stellte sich dabei heraus, dass die Fische aus alkalischen Seen eine deutliche genetische Ähnlichkeit zu ihren jeweiligen vermuteten marinen Vorfahren aufweisen, während bei Fischen in sauren Seen mehr Allele vorkommen, die in der marinen Population selten sind. Möglicherweise bleiben diese seltenen Allele in den Meerespopulationen erhalten, weil sie in geringer Anzahl selektionsneutral sind, so die Vermutung der Forscher.

Außerdem zeigte sich, dass in jedem Typ von Habitat dieselben genetischen Varianten vorliegen. Die Autoren schreiben: „Insgesamt hebt unsere Arbeit hervor, dass phänotypische Parallelität durch parallele Evolution auf genomischer Ebene gespiegelt werden kann.“ Die genetischen Unterschiede in den verschiedenen Habitaten könnten somit vorhergesagt werden.

Die Studie von Haenel et al. (2019) zeigt, dass die Meerespopulation über eine bereits bestehende genetische Vielfalt verfügt, die es den Stichlingen ermöglichte, sich auf vorhersehbare Weise an unterschiedliche lokale Gegebenheiten anzupassen.

Das Beispiel der unterschiedlich spezialisierten Stichlinge veranschaulicht, dass Anpassung nicht durch das Auftreten glücklicher Mutationen und deren anschließend langwieriger Fixierung in der Population erfolgen muss, sondern dass vorliegende genetische Varianten Anpassungen in kurzer Zeit ermöglichen. Auf dieser Basis sind auch Vorhersagen von Veränderungen möglich und erfolgreich und auch parallele Anpassungen keine Überraschung. Die Stichlinge sind weiterhin ein Beispiel dafür, dass Arten mit der Fähigkeit ausgestattet sind, sich an verschiedene lokale Lebensräume anzupassen, indem präexistente genetische Programme genutzt und unterschiedliche Ausprägungen je nach Eignung für eine bestimmte ökologische Nische selektiert und im Genpool angereichert werden.

R. Junker

[Haenel Q, Roesti M, Moser D, MacColl ADC & Berner D (2019) Predictable genome-wide sorting of standing genetic variation during parallel adaptation to basic versus acidic environments in stickleback fish. Evol. Lett. 3, 28-42 • Junker R (2016) In 50 statt in 12000 Jahren: Wiederholte Anpassungen bei Stichlingen. Stud. Integr J. 23, 121-122 • Lescak EA, Bassham SL, Catchen J, Gelmond O, Sherbick ML, von Hippel FA & Cresko WA (2015) Evolution of stickleback in 50 years on earthquake-uplifted islands. Proc. Natl. Acad. Sci. 112, E7204-E7212]