Wissenschaftler sagen die Evolution während eines 30-jährigen Experiments mit Meeresschnecken voraus – und beobachten sie

Vor den Augen von Wissenschaftlern entwickelten sich Schnecken auf einer kleinen felsigen Insel. Meeresschnecken wurden wieder angesiedelt, nachdem sie durch eine giftige Algenblüte aus der Bucht verschwunden waren. Während die Forscher absichtlich eine separate Population derselben Schneckenart einführten, entwickelte sich diese so, dass sie eine verblüffende Ähnlichkeit mit der mehr als 30 Jahre zuvor verlorenen Population aufwies.

Die von Forschern des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und der norwegischen University of the North geleitete Studie ist in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Wir schreiben das Jahr 1988. Das Koster-Archipel, eine Inselgruppe vor der Westküste Schwedens nahe der Grenze zu Norwegen, wird von einer besonders dichten giftigen Algenblüte heimgesucht, die Populationen von Meeresschnecken auslöscht. Aber warum sollte sich irgendjemand um das Schicksal einer Schneckengruppe auf einem drei Quadratmeter großen Felsen im offenen Meer kümmern? Es stellt sich heraus, dass dieses Ereignis die Möglichkeit eröffnen würde, die Evolution vorherzusagen und vor unseren Augen zu beobachten.

Zuvor beherbergten die Inseln und ihre kleinen felsigen Gezeiteninseln dichte und vielfältige Populationen von Meeresschnecken der Art Littorina saxatilis. Während sich die Schneckenpopulationen auf den größeren Inseln, die teilweise auf weniger als 1 Prozent reduziert wurden, innerhalb von zwei bis vier Jahren erholten, scheinen sich mehrere Schären nicht von diesem Schlag erholen zu können.

Die Meeresökologin Kerstin Johannesson von der Universität Göteborg, Schweden, sah eine einzigartige Chance. 1992 führte sie L. saxatilis-Schnecken wieder in ihrem verlorenen Lebensraum ein und startete damit ein Experiment, das mehr als 30 Jahre später weitreichende Auswirkungen haben sollte.

Es ermöglichte eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung von Forschern des Institute of Science and Technology Austria (ISTA), der University of the North, Norwegen, der Universität Göteborg, Schweden, und der University of Sheffield, Großbritannien, um laufende Entwicklungen vorherzusagen und zu beobachten.

Wellenschnecken und Krebsschnecken

L. saxatilis ist eine weit verbreitete Meeresschneckenart, die an den Küsten des Nordatlantiks vorkommt, wo verschiedene Populationen an ihre Umgebung angepasste Merkmale entwickelt haben. Zu diesen Merkmalen gehören Größe, Panzerform, Panzerfarbe und Verhalten.

Besonders auffällig sind die Unterschiede in diesen Merkmalen zwischen den sogenannten Ökotypen Crab und Wave. Diese Schnecken entwickelten sich mehrmals an verschiedenen Orten, entweder in Umgebungen, die dem Raub von Krabben ausgesetzt waren, oder auf Felsen, die Wellen ausgesetzt waren, fernab von Krabben.

Wellenschnecken sind im Allgemeinen klein und haben ein dünnes Gehäuse mit bestimmten Farben und Mustern, eine große, abgerundete Öffnung und ein auffälliges Verhalten. Krabbenschnecken hingegen sind überraschend größer, haben dickere, ungemusterte Gehäuse und eine kleinere, länglichere Öffnung. Auch Krabbenschnecken verhalten sich in ihrer von Raubtieren dominierten Umgebung vorsichtiger.

Im schwedischen Koster-Archipel leben diese beiden verschiedenen Arten von L. saxatilis-Schnecken, die oft auf derselben Insel benachbart oder nur wenige hundert Meter über dem Meer voneinander entfernt waren. Vor der giftigen Algenblüte von 1988 lebten die Wellenschnecken in den Schären , während an den nahegelegenen Ufern sowohl Krabben- als auch Wellenschnecken lebten. Diese räumliche Nähe würde sich als entscheidend erweisen.

Entdecken Sie alte Eigenschaften neu

Als Johannesson feststellte, dass die Wellenschneckenpopulation der Schären aufgrund giftiger Algen vollständig ausgerottet war, beschloss er 1992, Schnecken in einem dieser Schären wieder anzusiedeln, allerdings vom Ökotyp Krabbe. Mit ein bis zwei Generationen pro Jahr erwartete sie zu Recht, dass sich die Krebsschnecken vor den Augen der Wissenschaftler an ihre neue Umgebung anpassen würden.

„Unsere Kollegen haben bereits im ersten Jahrzehnt des Experiments Hinweise auf eine Schneckenanpassung gesehen“, sagt Diego Garcia Castillo, ein Doktorand in der Barton-Gruppe am ISTA und einer der führenden Autoren der Studie.

„In den 30 Jahren des Experiments konnten wir zuverlässig vorhersagen, wie die Schnecken aussehen und welche genetischen Regionen beteiligt sein werden. Die Transformation verlief sowohl schnell als auch dramatisch“, fügt er hinzu.

Allerdings haben Schnecken diese Eigenschaften nicht völlig von Grund auf entwickelt. Die Mitautorin Anja Marie Westram, ehemalige Postdoktorandin am ISTA und derzeit Forscherin an der University of the North, erklärt: „Ein Teil der genetischen Vielfalt war bereits in der anfänglichen Krabbenpopulation vorhanden, jedoch mit geringer Prävalenz. Bedingungen in der jüngeren Vergangenheit. Der Zugang der Schnecken zu einem großen Genpool führte zu dieser schnellen Entwicklung.

Vielfalt ist der Schlüssel zur Anpassung

Das Team untersuchte im Laufe seiner jahrelangen Erfahrung drei Aspekte: den Schneckenphänotyp, individuelle genetische Variabilitäten und größere genetische Veränderungen, die ganze Chromosomenregionen betreffen, die als „Chromosomeninversionen“ bezeichnet werden.

Während der ersten Generationen beobachteten Forscher ein interessantes Phänomen namens „phänotypische Plastizität“. Schon bald nach der Transplantation veränderten die Schnecken ihre Form, um sich an ihre neue Umgebung anzupassen. Aber auch die Population begann sich schnell genetisch zu verändern. Forscher konnten das Ausmaß und die Richtung genetischer Veränderungen vorhersagen, insbesondere im Hinblick auf Chromosomeninversionen.

Sie zeigten, dass die schnelle und spektakuläre Transformation der Schnecken möglicherweise auf zwei komplementäre Prozesse zurückzuführen war. Schnelle Selektion von Merkmalen, die bereits in geringer Häufigkeit in der transplantierten Krabbenschneckenpopulation vorhanden sind, und Genfluss von benachbarten Wellenschnecken, die einfach 160 Meter hätten zurücklegen können, um die Schäre zu erreichen.

Evolution angesichts von Umweltverschmutzung und Klimawandel

Theoretisch wissen Wissenschaftler, dass sich eine Art mit ausreichend großer genetischer Variation schneller an Veränderungen anpassen kann. Allerdings zielten nur wenige Studien darauf ab, mit der Evolution im Laufe der Zeit in der Natur zu experimentieren.

„Diese Arbeit ermöglicht es uns, die wiederholte Evolution genauer zu betrachten und vorherzusagen, wie eine Population Merkmale entwickeln könnte, die sich in der Vergangenheit unter ähnlichen Bedingungen separat entwickelt haben“, sagt Garcia Castillo.

Das Team möchte nun herausfinden, wie sich Arten an moderne Umweltherausforderungen wie Umweltverschmutzung und Klimawandel anpassen können.

„Nicht alle Arten haben Zugang zu großen Genpools und die Entwicklung neuer Merkmale von Grund auf verläuft äußerst langsam. Die Anpassung ist sehr komplex und unser Planet steht auch vor komplexen Veränderungen mit Episoden von Wetterextremen, schnell fortschreitendem Klimawandel, Umweltverschmutzung und neuen Schädlingen.“ sagt Westram. Sie hofft, dass diese Arbeit weitere Forschungen zur Erhaltung von Arten mit umfangreicher und vielfältiger genetischer Ausstattung anregen wird.

„Vielleicht hilft diese Forschung dabei, Menschen davon zu überzeugen, eine Reihe natürlicher Lebensräume zu schützen, damit Arten ihre genetische Vielfalt nicht verlieren“, schließt Westram.

Heute ist die Schneckenpopulation, die Johannesson 1992 in die Schäre brachte, auf eine blühende Population von rund 1.000 Exemplaren angewachsen.