Evolutionäre Entwicklungsbiologie Schön bunt und tupfengleich

Die Evolution hat eine unüberschaubare Fülle an Formen und Farben im Tierreich hervorgebracht. Wie kommt es dann, dass zwei verschiedene Arten der Passionsschmetterlinge sich gleichen wie ein Ei dem anderen?

Seit Darwins Zeiten fragen sich Naturforscher, warum die in Südamerika beheimateten Heliconius melpomene und Heliconius erato exakt gleiche Farbmuster auf ihren Flügeln haben, obwohl sie nicht einmal besonders eng miteinander verwandt sind. Die Flügelmuster variieren dabei auf seltsame Weise. So fand man bisher insgesamt fünfundzwanzig Muster, mal mit mehr roten Flecken, mal eher mit gelben Streifen auf schwarzem Grund. Diese Flügelmuster kommen in verschiedenen Regionen vor. Auffällig ist, dass in ein und derselben Region jeweils beide Arten die gleichen Muster aufweisen. Zwei Forscherteams haben nun experimentelle Daten vorgestellt, die Hinweise auf die Ursache für dieses rätselhafte Phänomen geben.

Hinter den geheimnisvollen Flügelmustern verbirgt sich die Frage, wie die äußere Form eines Organismus - der Phänotyp - entsteht und warum er sich im Laufe der Evolution verändert hat. Einen Erklärungsversuch, warum zwei Arten gleich aussehen, haben Forscher schon Mitte des 19. Jahrhunderts formuliert. Heliconius-Schmetterlinge sind ungenießbar, und die bunte Färbung soll demnach Fressfeinden anzeigen "Ich schmecke nicht". Indem beide Arten ihren Feinden diese Warnung signalisieren, profitieren beide davon. Diese spezielle Art des Kopierens von Phänotypen wird als Müllersche Mimikry, nach dem deutschen Biologen Johann Müller, bezeichnet.

Eine Handvoll Mastergene

Um zu verstehen, wie die Evolution den Phänotyp eines Tieres formt, wie aus der Fischflosse ein Bein wurde, aus dem Arm ein Flügel, muss man einerseits das von den Genen gesteuerte Entwicklungsprogramm eines Organismus kennen. Andererseits muss man herausfinden, wie sich Entwicklungsgene, die den Bauplan eines Organismus festlegen, im Laufe der Evolution veränderten. Diese beiden Aspekte untersucht die mittlerweile als "Evo-Devo" (Evolutionary Development) bekannte Disziplin. Evo-Devo schlägt eine Brücke zwischen Entwicklungs- und Evolutionsbiologie.

Als eine der größten Überraschungen dieser Forschung stellte sich heraus, dass im Tierreich nur eine Handvoll Gene - Mastergene - die Entwicklung der Embryonalentwicklung steuern. Diese sogenannten Hox-Gene bestimmen, wo im Embryo oben und unten, vorne und hinten ist. Die Mastergene sind über extrem lange Zeiträume erhalten geblieben und sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung der organismischen Vielfalt. Nachdem man viele unerwartete Gemeinsamkeiten im genetischen Repertoire entdeckte, die entwicklungsbiologische Mechanismen steuern, hat man inzwischen begonnen zu untersuchen, wie die Unterschiede zwischen nahe verwandten Arten entstehen. Die Flügelmuster des Passionsschmetterlings sind ein Beispiel dafür.

Um nun die Gene zu identifizieren, welche die Musterbildung auf den Flügeln der Heliconius-Arten steuern, haben Forscherteams um Chris Jiggins von der University of Cambridge in Großbritannien und Owen McMillan vond er North Carolina State University zehn Jahre lang Schmetterlinge gekreuzt. Aus diesen Experimenten hatten sie schon vor zwei Jahren geschlossen, dass in H. melpomene wie in H. erato jeweils zwei Genabschnitte die rote und gelbe Pigmentierung kontrollieren. In diesen Regionen fanden sie jeweils etliche Gene, von denen sich zwei als vielversprechende Kandidaten herausschälten: ein Kinesin-Gen sowie ein LRR-Gen. "Wir haben keine Ahnung, was das LRR-Gen tut", bekennt Jiggins. LRR-Gene kennt man bisher vor allem aus dem Pflanzenreich, wo sie an der Abwehr von Parasiten beteiligt sind.

Die „großen Sechs“ bekommen Zuwachs

Über das Kinesin-Gen weiß man schon etwas mehr. Es ist die Bauanleitung für ein Protein, das andere Moleküle in der Zelle bewegt. "Könnte sein, dass es vielleicht Pigmente oder Signalmoleküle beweg, um so der Zelle zu bedeuten, ob sie rot oder schwarz werden soll", sagt Jiggins. Überraschend fand er, dass in beiden und einer weiteren Art vermutlich die gleichen Gene am Werk sind, die Steuerung aber sehr komplex ist. "Unsere Resultate zeigen, dass nur ein oder zwei Gene für die Änderung des Farbmuster gebraucht werden, obwohl das Genom viele tausend Gene enthält.

Es scheint, als würde sich die Evolution hier auf sehr kleine Genomregionen, auf Hotspots, beschränken." Wenn erst einmal das Genom des Schmetterlings sequenziert ist - mit einer ersten Arbeitsversion rechnet man Mitte dieses Jahres -, wird die Identifikation formgebender Gene sicherlich schneller und einfacher vonstattengehen. Bisher wurden die Entwicklungsvorgänge unter evolutionären Gesichtspunkten nämlich vor allem an den "großen Sechs" untersucht: an Maus, Huhn, Krallenfrosch, Zebrafisch, Drosophila und am Fadenwurm Caenorhabditis elegans. Aber diese Tiere repräsentieren nur drei der 35 Tierstämme. An einer Maus wird man nicht den Wechsel vom radiären zum bilateralen Bauplan untersuchen können, am Fadenwurm mit seinen exakt 302 Nervenzellen nicht die Entstehung des zentralen Nervensystems.

Daher wird seit einiger Zeit diskutiert, welche neuen Tiere sich als Modelle eignen könnten und auf welche man sich für die Genomsequenzierung einigen kann. Folgende Kandidaten sind inzwischen nominiert: An dem winzigen Salzwasserwurm Platynereis dumerilii untersuchen Heidelberger Forscher um Detlev Arendt, wie das Auge und das zentrale Nervensystem entstanden sind. Mit den in ostafrikanischen Seen lebenden Buntbarschen forscht unter anderen der Konstanzer Biologe Axel Meyer. Er untersucht, wie diese Fische es schaffen, in recht kurzer Zeit unzählige Arten mit extrem unterschiedlichem Aussehen und Verhalten zu entwickeln.

Floh, Krebs und Schwamm

Wie imposanter Kopfschmuck wie große Hörner entstehen, untersuchen Forscher am Hornkäfer Ontophagus. Die Seeanemone Nematostella vectensis und der Wasserfloh Daphnia duplex bieten sich als im Labor besonders einfach zu handhabende Tiere für die Forschung an. Der Floh ist seit Jahrzehnten schon Objekt ökologischer, taxonomischer und evolutionärer Studien. An einem kleinen Krebs Parhyale hawaiensis ließe sich die Segmentierung des Körpers von Krebstieren untersuchen. Und dem Schwamm Amphimedon queenslandica, einem evolutionär uralten Vielzeller, fehlen die Hox-Gene, die Fliegen, Würmern und Menschen ihre Gestalt geben. Wie also kommt der Schwamm zu seiner Form?

Alle diese Tiere wurden von den Evo-Devo-Forschern ausgewählt, weil sie aus entwicklungsbiologischer Sicht interessante Fragestellungen aufwerfen. Gleichzeitig haben Genomforscher begonnen, die Erbsubstanz von Tieren mit besonderer Stellung im evolutionären Stammbaum zu sequenzieren, etwa die des südafrikanischen Opossums, des europäischen Igels oder des Gürteltiers.

Ziemlich sicher wird man in den kommenden Jahren viele neue Erkenntnisse darüber gewinnen, welche genetischen Variationen die großen und kleinen entwicklungsbiologischen Effekte verursachen, die uns die beeindruckende Fülle an tierischen Formen und Farben bescheren.