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Gifte von Tieren und Pflanzen : Nicht immer nur ein Spiel des Zufalls

  • -Aktualisiert am

Aga-Kröte Bild: GERRY PEARCE/SCIENCE PHOTO LIBRA

Die Evolution führt im Tierreich manchmal zu überraschend ähnlichen Ergebnissen, wie die bewährte Abwehrstrategie gegen das tückische Gift der Kröten zeigt.

          6 Min.

          Die Entwicklung des Lebens ist dem Zufall unterworfen und verläuft unberechenbar. Darin ist sich die Mehrheit der Evolutionsbiologen einig. Mitunter scheint die Evolution allerdings doch in eng begrenzte Bahnen gezwungen zu werden, was mehrfach zu recht ähnlichen oder sogar identischen Ergebnissen führt. Auf der molekularen Ebene trifft das offenkundig zu, wenn sich Tiere gegen sogenannte Herzglykoside wappnen. Mit diesen Giftstoffen wehren sich nicht nur Pflanzen wie der Fingerhut (Digitalis) gegen Fressfeinde. Kröten setzen ebenfalls auf Herzglykloside, um sich gegen Angreifer zu verteidigen. Was häufig gelingt, aber keineswegs immer. Denn in der Entwicklungsgeschichte sind hin und wieder Mutationen aufgetreten, mit denen sich die Verteidigungsstrategie der Kröten durchkreuzen ließ. Dass dabei mehrmals exakt dieselben molekularen Varianten entstanden sind, haben Wissenschaftler um Beata Ujvari von der University of Sydney, Nicholas Casewell von der Liverpool School of Tropical Medicine und Kartik Sunagar von der Hebrew University of Jerusalem herausgefunden. Wie sie in den „Proceedings“ der nationalen Amerikanischen Akademie der Wissenschaften berichten, sind Amphibien, Reptilien und Säugetiere in die vergleichenden Studien einbezogen worden.

          Herzglykoside entfalten ihre toxische Wirkung an der Membran, mit der sich Zellen von der Außenwelt abschirmen. Sie legen dort eine Art Pumpe lahm, die Natrium hinaus- und Kalium hineinbefördert. So mindern diese Stoffe die Fähigkeit der Zelle, das chemische Milieu in ihrem Inneren zu regulieren. Dabei verändern sie zugleich die elektrische Spannung zwischen dem Zellinneren und dem Außenbereich. Indem die Herzglykoside die Natrium-Kalium-Pumpe manipulieren, sabotieren sie auch die Arbeit des Herzmuskels - je nach Dosis mit fatalen Folgen.

          Blockade der Zellpforten

          Etliche Schlangen können jedoch Kröten verschlingen, ohne Schaden zu nehmen. Um zu ergründen, was hinter dieser Widerstandsfähigkeit steckt, nahmen die Forscher um Ujvari die Natrium-Kalium-Pumpe diverser Schlangen genauer unter die Lupe. Sie studierten die lange Kette von Aminosäuren, aus der dieses Membran-Protein besteht. Bei Schlangen, für die auch Kröten ein gefundenes Fressen sind, stießen sie immer wieder auf dieselbe Veränderung: In einer Schlaufe von zwölf Aminosäuren, die aus der Zellmembran nach außen ragen, ist die erste durch die Aminosäure Leucin ersetzt, die zehnte durch Arginin.

          Gewöhnlich bleibt die Zusammensetzung der Proteinschlaufe im Laufe der Evolution unverändert. Denn einschlägige Mutationen erweisen sich fast immer als misslich: Die Kalium-Ionen können nicht mehr ordentlich andocken und in die Zelle geschleust werden. Wenn ein Herzglykosid in die Quere kommt, wird der Transportprozess ebenfalls mehr oder weniger blockiert. Um das zu verhindern und den Weg für Kalium-Ionen frei zu halten, müssen offenbar zwei ganz bestimmte Aminosäuren durch entsprechend andere ersetzt werden. Wie der Stammbaum der Schlangen zeigt, ist diese spezielle Version der Natrium-Kalium-Pumpe nicht nur einmal entstanden, sondern sie hat sich mindestens dreimal unabhängig voneinander entwickelt: bei den Urahnen der Ringelnatter und weitläufig verwandter Nattern, bei den Vorfahren der Brillenschlange sowie bei den Ahnen von Puffotter und Nashornviper.

          Wehrhaftes Stacheltier

          Und damit nicht genug. Unabhängig von den Schlangen sind die Warane im Laufe der Evolution auf denselben Trick gekommen. Doch nur die in Afrika und Asien heimischen blieben bei der Natrium-Kalium-Pumpe, der Herzglykoside wenig anhaben können. Warane, die vor langer Zeit nach Australien ausgewandert sind, haben den Austausch der Aminosäuren wieder rückgängig gemacht. Das konnten sie sich ungestraft leisten, denn bis vor kurzem gab es in Australien keine giftigen Kröten. Erst im Jahr 1935 wurde in Queensland die amerikanische Aga-Kröte angesiedelt. Sie sollte dort auf Zuckerrohrplantagen schädliche Insekten in Schach halten.

          Seitdem ist diese vermehrungsfreudige und wanderlustige Kröte in Australien auf dem Vormarsch. Ein Desaster für die alteingesessene Tierwelt: Von Insekten bis zu Fröschen vertilgen die bisweilen zwei Kilogramm schweren Aga-Kröten alles, was Australiens Fauna als Beute zu bieten hat. Für Warane und andere einheimische Tiere, denen so eine fette Kröte als verlockende Beute erscheint, ist deren Gift dagegen oft tödlich.

          Ehe sich die Urahnen aller Kröten mit Herzglykosiden wappnen konnten, mussten auch sie ihre Natrium-Kalium-Pumpe entsprechend umrüsten. Sonst hätten sie sich selbst vergiftet. Wie bei den Reptilien, die Kröten nachstellen, veränderten sich zwei der zwölf Aminosäuren in der fraglichen Schlaufe. Wo man bei Waranen und Schlangen gewöhnlich Leucin findet, plazierten die Kröten jedoch Arginin. Eine andere Aminosäure - die neunte statt wie bei den Reptilien die zehnte - wurde durch Asparaginsäure ersetzt.

          Erstaunlicherweise zeichnet sich die Natrium-Kalium-Pumpe des Igels durch dieselben Veränderungen aus. Igel sind nicht nur dafür bekannt, sich gerne mal Kröten schmecken zu lassen. Anschließend verteilen sie das Krötengift, vermischt mit Speichel, oft eifrig auf ihren Stacheln. Derart mit einer chemischen Waffe kombiniert, wird die mechanische Abwehr noch wirksamer.

          Die chemische Waffe des Monarchfalters

          Nagetiere vergreifen sich zwar nur selten an Kröten oder gar an Igeln. Gegen Herzglykoside gefeit zu sein ist für sie trotzdem wichtig. Schließlich verspeisen sie oft Pflanzen, die solche Giftstoffe enthalten, oder Insekten, die sich von giftigen Pflanzen ernähren. Von der Natrium-Kalium-Pumpe des Igels unterscheidet sich diejenige von Ratten und Mäusen dadurch, dass anstelle der neunten die letzte Aminosäure der Zwölferschlaufe durch Asparaginsäure ersetzt wurde. Diese Nagetier-Version findet sich seltsamerweise auch bei dem in Südamerika weitverbreiteten Pfeiffrosch Leptodactylus latrans, auf dessen Speiseplan unter anderem Kröten stehen. Amphibien und Säugetiere haben für ihr Giftproblem also zweimal exakt dieselbe Lösung gefunden, obwohl ihre Vorfahren schon vor 330 Millionen Jahren getrennte Wege gegangen sind.

          Zu den Insekten, denen Herzglykoside kaum etwas anhaben können, zählen Schmetterlinge wie der Monarchfalter. Dieser Wanderfalter und seine weniger bekannten Verwandten leben als Raupe von Seidenpflanzen (Asklepias). Bei der Evolution von Natrium-Kalium-Pumpen, die sich von den Herzglykosiden dieser Gewächse nicht so leicht blockieren lassen, ging es aber weniger darum, neue Nahrungsquellen zu erschließen. Eher, um sich mit chemischen Waffen gegen Fressfeinde und Parasiten zu rüsten, berichten Georg Petschenka und Anurag Agrawal von der Cornell University in Ithaca (New York) in den „Proceedings of the Royal Society B“. Die Biologen fütterten die Raupen dreier Schmetterlingsarten, die unterschiedlich empfindliche Natrium-Kalium-Pumpen besitzen, mit unterschiedlich giftigen Seidenpflanzen. Erstaunlicherweise gediehen alle Raupen gleichermaßen gut, unabhängig davon, wie viel Gift in ihrer Nahrung steckte. Bei der Speicherkapazität für Herzglykoside zeigten sich allerdings prägnante Unterschiede: Der Monarch (Danaus plexippus), dessen Natrium-Kalium-Pumpe sich von den Giftstoffen wenig stören lässt, sammelt die größte Menge. Deutlich weniger hortet eine nahe verwandte Art mit einer weniger robusten molekularen Pumpe; und die Raupen mit der empfindlichsten Version scheiden die Herzglykoside umgehend wieder aus. Andernfalls würden sie sich wohl selbst vergiften, statt Angreifer abzuschrecken.

          Als chemische Waffe taugen auch Blausäure-Glykoside. Mit ihnen wappnen sich Schmetterlinge aus der Familie der Widderchen, die Blutströpfchen genannt werden. Ihre plakative Warnfärbung, blauschwarz mit blutroten Tupfen, lässt bereits ahnen, dass sie giftig sind. Soweit bekannt, sind Blutströpfchen die einzigen Insekten, die beides können: Giftstoffe selbst herstellen und aus ihrer Nahrung gewinnen. Schon als Raupe bauen sie ihre chemische Verteidigung auf. Dabei stimmen sie die Produktion von Blausäure-Glykosiden jeweils darauf ab, was ihnen die Nahrungspflanzen liefern, wie Wissenschaftler um Joel Fürstenberg-Hägg von der Universität Kopenhagen und Heiko Vogel vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena herausgefunden haben.

          Wird die Raupe eines Blutströpfchens angegriffen, scheidet sie klebrige Tröpfchen aus, vollgepackt mit Blausäure-Glykosiden. Damit kann sie Ameisen ebenso abschrecken wie Vögel und Frösche. Das Gemeine Blutströpfchen (Zygaena filipendulae) lebt als Raupe meist von Hornklee, der sich mit den Blausäure-Glykosiden Linamarin und Lotaustralin gegen Pflanzenfresser wehrt. Wenn so ein Glykosid durch Enzyme zerlegt wird, spaltet sich Blausäure ab und blockiert die Zellatmung. Schon in sehr geringen Mengen wirkt Blausäure giftig, in größeren tödlich.

          Den Blutströpfchen kann das Giftarsenal des Hornklees allerdings nichts anhaben. Vielleicht haben ihre Vorfahren solche Glykoside bereits selbst produziert, ehe sie am Hornklee Geschmack fanden. Wenn sie nun die pflanzlichen Giftstoffe speichern, sparen sie sich den Aufwand für die Synthese. Bei Bedarf kann die Raupe ihre eigene Produktion zwar jederzeit wieder ankurbeln. Blausäure-Glykoside selbst zu erzeugen hat aber seinen Preis. Wenn die Raupen mit einer Hornklee-Variante ohne diese Giftstoffe vorliebnehmen mussten, blieben sie merklich kleiner als gewöhnlich. Kein Wunder, dass sie ein feines Gespür für giftige Pflanzen entwickelt haben. Nicht, um sie zu meiden, im Gegenteil: Die Raupen des Blutströpfchens bevorzugen eine Kost, die reichlich Blausäure-Glykoside enthält. Was den meisten Pflanzenfressern den Appetit verdirbt, schmeckt ihnen besonders gut.

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