In 50 statt in 12 000 Jahren: Wiederholte Anpassungen bei Stichlingen

Der dreistachelige Stichling (Gasterosteus aculeatus) gehört seit Jahren zu den besonders intensiv untersuchten Modellorganismen. Er kommt in Küstengewässern und im Süßwasser der Nordhemisphäre vor. Interessant ist der ca. 10 cm lange Fisch unter anderem, weil er in verschiedenen Formen auftritt: 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. Einige genetische Grundlagen dieser Unterschiede fasst Winkler (2005) zusammen. Die Entstehung der Süßwasserformen wird in der Phase des Rückzugs des Eises der Eiszeit vermutet, konventionell vor 12 000 - 20 000 Jahren. Im Meer lebende Stichlinge sollen demnach in Seen zurückgeblieben sein, die sich damals durch den Rückzug des Eises gebildet hatten. Im Laufe der Aussüßung der Seen konnten sich die Stichlinge an die neuen Bedingungen anpassen.

Abb. 1: Stichlinge verlieren im Süßwasser ihre knöchernen Panzerplatten (Mitte) sowie die Beckenstacheln (unten). (Aus Pennisi 2004)

Nun konnten Wissenschaftler um Emily A. Lescak von der University of Alaska Fairbanks und Susan L. Bassham von der University of Oregon in einer aufwändigen genetischen Studie zeigen, dass die Veränderungen bei den Süßwasserformen bereits in nur 50 Jahren auftreten, was 25-50 Generationen entspricht. Zugute kam den Forschern ein schweres Erdbeben am 27. März 1964 im Gebiet der Südküste von Alaska. Es führte zur Heraushebung mehrerer Inseln im Prinz-William-Sund. Auf diesen entstanden Teiche mit Süßwasser. Der Dreistachlige Stichling konnte dort überleben, und über Flüsse wanderten auch Stichlinge aus dem Meer in die Süßwasserteiche ein oder sie gelangen durch Sturmfluten dorthin. Lescak et al. (2015) berichten von Untersuchungen an Stichlingen von drei Inseln. Sie verglichen die Süßwasserformen mit den im Meer lebenden Fischen genetisch und nach ihrer äußeren Erscheinung (phänotypisch) und stellten fest, dass sich die Fische auf den Inseln „dramatisch“ im Vergleich zu ihren ozeanischen Vorfahren verändert haben. Die Merkmalsausprägungen der erst in den letzten 50 Jahren entstandenen Süßwasserformen unterscheiden sich kaum von den Merkmalen derjenigen Stichlinge, die andernorts schon seit mindestens 12 000 Jahren im Süßwasser leben. Anders ausgedrückt: Die phänotypische Divergenz ist nahezu identisch, gleichgültig ob die Formen in den letzten 50 oder in mindestens 12 000 Jahren entstanden sind. Die genetischen Unterschiede sind allerdings deutlich geringer. Die Untersuchungen zeigten, dass die Formen auf den neu entstandenen Inseln nicht von anderen Süßwasserformen abstammen, sondern mindestens sechs Mal unabhängig auf die ozeanischen zurückgehen. Außerdem konnten die Forscher nachweisen, dass die Veränderungen tatsächlich auf Unterschieden im Erbgut beruhen und nicht Folge phänotypischer Plastizität sind. Plastizität ist die Fähigkeit, ausgelöst durch verschiedene Umweltreize unterschiedliche gestaltliche Ausprägungen hervorzubringen, und das auf der Basis desselben Erbguts.

Auf den neuen Inseln leben nach wie vor auch Formen, die den ozeanischen Fischen ähneln, und es kommt auch zu Vermischungen der verschiedenen Formen. Die Inselpopulationen bekommen offenbar immer wieder Zuwachs aus dem Meer.

Da die Veränderungen bei den Süßwasserformen mehrfach in ähnlicher Weise auftreten, vermuten die Forscher, dass die ozeanischen Formen einen großen Pool an genetischer Variation besitzen, der unter Süßwasserbedingungen schnell genutzt werden kann. Lescak et al. (2015) folgern aus ihren Ergebnissen außerdem, dass auch in den älteren Süßwasserpopulationen die Veränderungen bereits in den ersten Generationen eingetreten sind. Die Autoren schließen: „Wenn die Befunde bei den Stichlingen auf andere Systeme verallgemeinert werden können, könnte rasche Evolution unter natürlichen Verhältnissen verbreiteter sein als bisher nachgewiesen.“ Die Autoren erwähnen einige weitere Beispiele dieser Art. Das Beispiel der Stichlinge zeigt, dass mindestens phänotypisch ein enormes Potenzial an Anpassungsmöglichkeiten in den Lebewesen angelegt sein kann. Man könnte diese Situation als Ausdruck einer Vorprogrammierung mit flexiblen Ausprägungsmöglichkeiten interpretieren.

R. Junker

[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 • Pennisi E (2004) Changing a fish‘s bony armor in the wink of a gene. Science 304, 1736-1739 • Winkler N (2005) Über genetische Schalter bei Stichlingen. Stud. Integr. J. 12, 32-34]