Feldforschung auf LaRéunion

Forschungsreise: Auf der Suche nach den Triebfedern der Evolution

Am 19. Januar 2020 brechen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie zu einer Forschungsreise auf die Insel La Réunion auf. Dort finden sie einen winzigen Fadenwurm, der auf dicken Käfern lebt, sowie ideale Bedingungen, um ihrer zentralen Fragestellung nachzugehen: Wie bringt die Evolution neue Eigenschaften hervor.

Der Jahresanfang ist Reisezeit für die Wissenschaftler der Abteilung Integrative Evolutionsbiologie. Ziel ist die Tropeninsel La Réunion. Sie machen sich auf die Suche nach einem Käfer und seinem blinden Passagier, einem Fadenwurm namens Pristionchus pacificus. Der Winzling, der gerade mal einen Millimeter misst, steht im Zentrum der Forschungsarbeit des Teams um Max-Planck-Direktor Ralf Sommer, der vor allem eines wissen will: Wie lässt die Evolution Vielfalt entstehen, und warum ist die Vielfalt so groß?

Die Vulkaninsel La Réunion ist noch ein recht junges Eiland. Sie erhob sich vor rund 2 Millionen Jahren aus dem Indischen Ozean. Das heißt, der Zeitraum, in dem sich hier Lebewesen angesiedelt und entwickelt haben, ist relativ begrenzt. Das macht die Insel – ähnlich wie es die Lehrbücher auch von Charles Darwins Untersuchungen auf den Galapagos-Inseln schildern – zu einem regelrechten Freiluftlabor für Evolutionsforscher.

Berglandschaft auf La Réunion

Sieben Fragen an Prof. Ralf Sommer

Professor Ralf Sommer ist Evolutionsforscher mit Leib und Seele. Mit Hilfe des winzigen Fadenwurms Pristionchus pacificus geht er der Frage nach, wie die Evolution Neues erschafft und Vielfalt entsteht.

Wann wurde Ihre Faszination für die Evolutionsbiologie geweckt?

Das war mit 14 Jahren, als ich angefangen habe, Schmetterlinge zu sammeln. Da war die Evolution, die Verwandtschaftsverhältnisse dieser Arten direkt ein Thema. Von daher war Evolution die erste Teildisziplin der Biologie, die mich wirklich fasziniert hat.

Was fasziniert Sie heute an der Evolutionsbiologie?

Heute fasziniert mich am meisten, dass wir die Genetik und Genomik benutzen können und auf dieser Basis dann in der Lage sind, die schwierigeren Aspekte wie die Rolle der Umwelt, die Rolle des Zufalls und dann natürlich auch die Rolle der Selektion besser zu verstehen und mechanistisch auf den Punkt zu bringen.

Wie lässt sich der Schwerpunkt Ihrer Forschung in wenigen Worten umschreiben?

Eben genau das: Wie interagieren Genetik und Umwelt um Phänotypen und damit Neues zu erschaffen? Denn das verstehen wir immer noch nicht. Wie Neuheit entsteht und wo sie herkommt, ist mechanistisch noch immer unzureichend erklärt.

Wie Sind Sie auf den Wurm gekommen?

Als ich meinen Postdoc angefangen habe und von Insekten auf Fadenwürmern umgestiegen bin. Ich hatte das Glück, dass Pristionchus pacificus in der Stammsammlung meines Supervisors war, aber noch als unbeschriebene Art. Und dieser Stamm hat sich dann in den ersten Wochen bereits als das bestgeeignete System für meine Fragestellungen herausgestellt. Seitdem ist er der Wurm meiner Wahl.

Warum ist ausgerechnet die Insel La Reunion wichtig für Ihre Arbeit?

Es mag Zufall gewesen sein, dass wir diese Insel früh für uns entdeckt haben. Sie ist jung, sie ist mehrmals unabhängig mit verschiedenen Käfern, die unseren Wurm tragen, besiedelt worden. Da haben wir Glück gehabt. Diese mehrfache unabhängige Besiedlung ist bisher wirklich einzigartig.

Ein anderer Grund dafür, dass wir dort immer wieder hingehen, ist aber auch, dass die Logistik auf der Insel einzigartig ist. Bei uns muss alles relativ schnell gehen. Wir haben nur eineinhalb bis maximal zwei Wochen Zeit. Die Käfer verrotten relativ schnell, vor allem unter den heißen klimatischen Bedingungen. Da muss die Logistik stimmen, damit wir effizient arbeiten können. Also muss eigentlich jeder Tag funktionieren. Wir machen vor unserer Ankunft einen exakten Zeitplan, auf dem wir auf die Stunden genau aufschreiben, was wir machen. Wir haben ein bisschen Puffer, aber maximal 24 Stunden. Es gibt ja immer unvorhergesehene Ereignisse. Am 30. Dezember war der letzte Zyklon auf der Insel. Wenn wir Pech haben und es käme wieder ein Zyklon und wir müssten zwei Tage pausieren, könnten wir bestimmte nicht machen.

Welche Veröffentlichungen anderer Wissenschaftler haben Sie am meisten inspiriert?

Aufgrund meiner interdisziplinären Arbeitsweise und dem Anspruch, immer auf das molekulare und organismische Gesamtbild zu blicken, sind es eher selten Publikationen aus wissenschaftlichen Zeitschriften, die mich faszinieren, sondern eher Monographien. Wichtig war hier sicherlich ‚Developmental Plasticity and Evolution‘ von Mary-Jane West-Eberhard, in dem sie sich der phänotypischen Plastizität widmet, also der Entstehung von alternativen Merkmalen in derselben Art mit demselben genetischen Hintergrund. Sie sieht darin eine wichtige Triebfeder der Evolution. Das Buch kam heraus, als wir gerade bei Fadenwürmern beobachtet hatten, dass die gleiche entwicklungsbiologische Struktur bei verschiedenen Arten mithilfe unterschiedlicher molekularer Mechanismen entstehen kann. Das hat mir gezeigt, dass die Umwelt einen viel größeren Einfluss auf die Entwicklung nimmt als bis dahin angenommen. Und es war klar, dass wir in diese Richtung weiterforschen müssen.

Echter Augenöffner waren für mich aber auch die Werke ‚The Geographic Mosaic of Coevolution‘ und ‚Relentless Evolution‘ von John N. Thompson, dem Begründer der modernen Koevolutionstheorie. Er macht zum einen deutlich, wie wichtig Koevolution ist, also in unserem Fall das Wechselspiel zwischen Fadenwurm und Käfer. Außerdem beschreibt er, dass Evolution ein ständiger Prozess ist, der viel schneller abläuft, als wir bislang angenommen haben.

Was würden Sie mit Ihrer Arbeit gerne erreichen, wenn es keinerlei Limitierungen gäbe?

Ich würde gerne die molekularen Mechanismen, die im Kontext der phänotypischen Plastizität eine Rolle spielen, komplett verstehen. Und ich hoffe, dass ich noch genügend Zeit habe, auch die theoretischen und mehr philosophischen Aspekte mit einzubeziehen. Dabei geht es weniger um ein exaktes mathematisches Modell als vielmehr darum, die Plastizität mit anderen Eigenschaften und Merkmalen der Lebensgeschichte der Organismen zu verknüpfen, also wie sie zum Beispiel mit dem Populationswachstum im Zusammenhang steht.

Pristionchus pacificus kam, soweit bislang bekannt, in mindestens drei voneinander unabhängigen Schüben auf die Insel – an Bord von drei verschiedenen Käferarten, die allesamt zur Familie der Scarabaeidae, der Blatthornkäfer zählen. Auch wenn die Käfer an viele Stellen auf der Insel leben, haben die Tübinger Wissenschaftler, für jede Käferart eine zentrale Fundstelle ausgemacht, die sie regelmäßig analysieren. Alle drei sind mit Fadenwürmern besiedelt, darunter mehr oder weniger viele Vertreter des Wurms, der für die Arbeit der Forscher so entscheidend ist. „Unser wichtigster Fundort ist eine Wiese auf der Westseite der Insel – im Bergland auf etwa 1400 Metern Höhe“, sagt Sommer. „Auf dieser Wiese sind mehr als 90 Prozent des Nashornkäfers Oryctes borbonicus mit Pristionchus pacificus besiedelt. Das ist, soweit wir wissen, weltweit einzigartig.“

Der Käfer verbringt einen großen Teil seines Daseins als Engerling unter der Erde. Doch zwischen Dezember und Februar schwärmen die adulten Blatthornkäfer auf La Réunion aus. Dann fliegt auch Sommer mit seinen Mitarbeitern auf die Insel. Neun Tage haben die Forscher in diesem Jahr Zeit, um Proben für ihre weitere Arbeit zu sammeln und vor Ort Untersuchungen anzustellen. Mindestens drei Abende werden sie besagter Wiese widmen. Sie bauen Lichtfallen auf, Scheinwerfer hinter großen weißen Tüchern, um die sechsbeinigen Brummer mit den wissenschaftlich wertvollen Würmern an Bord anzulocken. Dann heißt es warten und Käfer sammeln.

Zwar lässt sich der Fadenwurm – ähnlich wie sein unter Biologen bestens bekannter Verwandter Caenorhabditis elegans – leicht im Labor züchten und analysieren. Aber Laboruntersuchungen sind für Evolutionsforscher nur die halbe Miete. „Wer wissen will, wie Evolution funktioniert, muss immer auch die Ökologie im Auge behalten, also die Interaktion mit der Umwelt“, erklärt Sommer. Dazu gehört unbedingt das Wechselspiel zwischen Käfer und Wurm. Denn die Lebensweise des einen beeinflusst die des anderen. „Koevolution, also die gegenseitige Anpassung, ist ein wichtiger Motor für Entwicklung.“

Wurm und Käfer verbindet ein komplexes Miteinander, das bei weitem noch nicht vollständig verstanden ist.

Das lebende Insekt beherbergt nur Fadenwürmer, die sich im so genannten Dauerstadium befinden, einem Ruhezustand, indem sie sich in eine wächserne Schutzschicht hüllen, die Mundöffnung verschließen und der Stoffwechsel beinahe zum Erliegen kommt. Erst wenn der Käfer tot ist, erwacht Pristionchus pacificus wieder vollständig zum Leben. Doch wie erkennt der Fadenwurm eigentlich, dass sein Wirt tot ist? Und ist er auch in der Lage, tote Käfer zu orten, die sich in einer gewissen Distanz befinden? Solchen Fragen geht Tess Renahn, Doktorandin in Sommers Abteilung, seit mehreren Jahren vor Ort auf La Réunion nach

Noch ein weiteres Vorhaben treibt die Forscher in diesem Jahr auf die Tropeninsel. Seit letztem Jahr kennen sie einen neuen interessanten Fundort für Pristionchus pacificus. Es handelt sich um Primärwald im Tiefland der Insel, einen von Menschen bislang unbeeinflussten Wald, den Botaniker erst jüngst entdeckt haben. Gerade mal zwei Fußballfelder misst das kleine Stückchen Urwald, doch es weckt große Hoffnungen bei den Wissenschaftlern. Denn hier lebt Pristionchus pacificus auf einer anderen Gruppe von Käfern, die die Tübinger Forscher bislang nicht im Visier hatten. „Und mit viel Glück lässt sich diese im Labor züchten“, sagt Matthias Hermann, der als Insekten- und Fadenwurmforscher die Exkursionsreisen koordiniert. Einen Versuch ist es zumindest wert, denn das würden den Wissenschaftlern erlauben, künftig einige Fragestellungen in Tübingen zu beantworten, die sie sonst nur im kurzen Zeitfenster der jährlichen Exkursion beackern können.

„Wir haben viel vor und unser Zeitplan ist wie bei jeder Exkursion sehr straff – da darf eigentlich nichts schiefgehen“, resümiert Sommer. „Denn wenn unsere Beute zu gering ist, oder es zu zeitlichen Verzögerungen kommt und unsere Proben verderben, müssen wir ein ganzes Jahr warten, bis die Käfer wieder ausschwärmen und wir erneut nach La Réunion fahren um neues Material zu sammeln.“

Hirschkäfer auf La Réunion