Programmierte Anpassungsfähigkeit bei Killifischen?

Flexibilität ist ein typisches Merkmal von Lebewesen, ohne die sie in wechselnden Lebensumständen gar nicht lebensfähig wären. Immer mehr Befunde deuten darauf hin, dass Lebewesen ein programmiertes Potenzial von Anpassungsmöglichkeiten besitzen, das ihrer Art hilft, bei Umweltstress zu überleben. Zum einen besitzen Lebewesen Plastizität; damit sind Fähigkeiten gemeint, die Lebewesen als Antwort auf besondere Umweltreize abrufen können, ohne dass das Erbgut dabei verändert wird (Beispiel: verdickte Hornhaut bei mechanischer Beanspruchung). Diese Änderungen werden typischerweise nicht an die Nachkommen weitergegeben (außer bei epigenetischer Vererbung, die einige Generationen lang möglich ist; vererbt wird allerdings das Potenzial zur individuellen Anpassung).

Lebewesen können aber auch im Laufe einiger Generationen neue Fähigkeiten durch vererbbare genetische Veränderungen (Mutationen) entwickeln. Bekannte Beispiele sind Antibiotikaresistenzen. Die neuen Fähigkeiten erfordern dabei keine grundlegenden Innovationen, sondern beruhen auf der Komplexität (inklusive Redundanz) vorhandener Stoffwechselwege. Sie sind oft innerhalb weniger Generationen verfügbar, was darauf hindeutet, dass ein gewisses Potenzial an Mutationen ausgelöst werden kann, das sich bei starken Umweltveränderungen günstig auswirken kann. Diese Änderungen könnten in einem weiten Sinne als Vorprogrammierung verstanden und interpretiert werden.

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Abb. 1: Killifisch Fundulus heteroclitus (http://www2.dnr.cornell.edu/cek7/nyfish/
Cyprinodontidae/mummichog.html)

Ein Beispiel dieser Art untersuchten Reid und Mitarbeiter (2016) beim Killifisch (Fundulus heteroclitus). Diese Fischart lebt an der Atlantikküste Nordamerikas in einem an vielen Stellen durch Dioxine, Schwermetalle und andere (giftige) Chemikalien stark kontaminierten und somit verschmutzten Lebensraum. Die vorherrschenden Konzentrationen sind für viele Wasserorganismen tödlich, aber einige Killifisch-Populationen haben sie überlebt, sie vertragen eine bis zu ca. 8000-fache Konzentration von schädlichen Stoffen im Vergleich zu ihren Artgenossen, die den Giftstoffen nicht ausgesetzt sind.

Genetische Untersuchungen an 384 Exemplaren aus sauberen und verschmutzten Gewässern offenbarten eine interessante Kombination von Befunden und Veränderungen:

  1. Die Fische in nicht verseuchten Gewässern haben große Populationen und große genetische Vielfalt.
  2. Die in verseuchten Gewässern lebenden Fische besitzen eine geringere genetische Vielfalt. Das ist nicht überraschend und lässt sich dadurch erklären, dass ihre Population zwischenzeitlich stark dezimiert wurde und dadurch nur ein Teil der früheren Vielfalt erhalten blieb.
  3. Bei den betreffenden Tieren treten Verlustmutationen von Komponenten des Signalwegs des AHR-Rezeptors (aryl hydrocarbon receptor) auf. Diese Verluste sind insofern vorteilhaft, als an diese Rezeptoren unter anderem Dioxine und Phenylverbindungen andocken. Damit wird gewissermaßen eine Einbruchsstelle für tödliche Veränderungen eliminiert.
  4. Allerdings wird der AHR-Rezeptor auch für Signalwege benötigt, die den Hormon- und Sauerstoffhaushalt, den Zellzyklus und das Immunsystem regulieren. Doch einige Mutationen ermöglichen die Kompensation für das Fehlen der stillgelegten Gene durch andere Stoffwechselwege – eine Art „Umgehungsstraße“. Ein Backup ist somit durch wenige Veränderungen möglich.

Es zeigt sich also, dass eine Kombination aus anfänglicher großer genetischer Vielfalt, Verlust und Kompensation das Überleben ermöglichen. Tobler & Culumber (2016) kommentieren (in Übersetzung): „Bereits bestehende genetische Variation erleichterte eine schnelle Anpassung an giftbelastete Umgebungen dadurch, dass vorhandene vorteilhafte genetische Varianten rekrutiert wurden, sodass eventuelle Zeitverzögerungen vermieden werden können, die auftreten könnten, wenn evolutive Antworten von neu auftretenden günstigen Mutationen abhängig wären.“

Ein weiterer Befund scheint darauf hinzudeuten, dass die Änderungen in gewisser Weise vorprogrammiert sind: Die Killifische mussten sich zwar in unterschiedlichen Regionen völlig unabhängig voneinander an die Verschmutzungen anpassen, aber dennoch sind die einzelnen Populationen auf genetischer Ebene erstaunlich ähnlich. Bei ganz zufälligen Änderungen ist das nicht zu erwarten. Eine Programmierung kann zwar naturwissenschaftlich nicht bewiesen werden, aber die Befunde sind damit besser verträglich als mit einem reinen Zufallsszenario. Die Schnelligkeit der Veränderungen führen die Wissenschaftler darauf zurück, dass der variable Anteil in den Fischgenomen besonders hoch ist; ein Umstand, der auch bei pestizidresistenten Insekten bekannt ist (Albat 2016). Das Beispiel zeigt, dass Resistenzen keine neuen Proteine oder Stoffwechselwege benötigen, sondern dass sogar Verluste zum Überleben beitragen können.

R. Junker

[Albat D (2016) Fischige Anpassungskünstler. http://www.wissenschaft.de/leben-umwelt/biologie/-/journal_content/56/12054/14988471/Fischige-Anpassungs k%C3%BCnstler/ • Reid NM, Proestou DA, et al. (2016) The genomic landscape of rapid repeated evolutionary adaptation to toxic pollution in wild fish. Science 354, 1305-1308; doi: 10.1126/science.aah4993 • Tobler M & Culumber ZW (2016) Swimming in polluted waters. Science 354, 1232-1233, doi: 10.1126/science.aal3211]