05.01.2021, Humboldt-Universität zu Berlin
Der lange Hals der Giraffe: Neue Erkenntnisse über eine Ikone der Evolution
Die Analyse digitalisierter Sammlungsobjekte konnte eine alte Hypothese bestätigen.
Der lange Hals der Giraffe fasziniert Evolutionsbiologen und Anatomen schon seit Langem. Trotz der enormen Länge von etwa zwei Metern wird er von nur sieben Halswirbeln gebildet, genau wie bei Menschen, kleinen Spitzmäusen und den allermeisten übrigen Säugetieren. Durch neue Methoden bestätigten Forschende der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) eine über 100 Jahre alte Hypothese: Durch eine einzigartige Veränderung des Brustwirbels verlängert sich der Hals bei Giraffen. Damit ging die Giraffe einen Sonderweg in der Evolution.
Erkenntnisse aus naturkundlichen Sammlungen
Die Forschenden scannten und untersuchten hunderte von Wirbeln und Skelettmaterial aus verschiedenen naturwissenschaftlichen Sammlungen und gewannen daraus neue Erkenntnisse. „Schon in einer anatomischen Arbeit vom Beginn des vorherigen Jahrhunderts wird die Hypothese aufgestellt, dass die auffallende Gestalt des ersten Brustwirbels zu einer Verlängerung des Halses bei Giraffen beiträgt. Mit neuen technischen Möglichkeiten konnten wir das jetzt belegen“, berichtet John Nyakatura, Professor für Vergleichende Zoologie an der HU, in dessen Arbeitsgruppe die Studie durchgeführt wurde. Neben den Giraffen wurden viele andere verwandte Paarhufer (bspw. Rinder, Schafe, Antilopen und Hirsche) und auch Kamele wie Dromedare und Lamas in die Studie einbezogen. Es entstand eine digitale Bibliothek virtueller Knochenmodelle, die, wie auch der Artikel, frei zugänglich (Open Access) ist (links siehe unten).
3D Knochenmodelle simulieren Bewegungsablauf
Marilena Müller (HU) unterzog die Knochen einer dreidimensionalen statistischen Gestaltanalyse. Die Gestalt des ersten Brustwirbels der Giraffe stach heraus und unterscheidet sich von anderen Paarhufern, die ebenfalls lange Hälse haben, wie beispielsweise bei der Giraffengazelle oder dem Vikunja. Obwohl der Knochen Rippen trägt und somit Teil der Brustwirbelsäule ist, ähnelt er in seiner Gestalt einem Halswirbel. In dieser Hinsicht ist die Giraffe einzigartig.
Luisa Merten (HU) knüpfte dort an und untersuchte die funktionelle Bedeutung dieser Besonderheit. Sie nutzte Software, die eigentlich für Animationsfilme à la Shrek konzipiert wurde. Die Software erlaubt die Simulation der Bewegung zwischen den Wirbeln. Es konnte im virtuellen Experiment genau gemessen werden, wieviel Bewegung möglich ist, bevor die Knochen kollidieren oder die Gelenke an ihre Grenzen stoßen. Dadurch wurde nachgewiesen, dass der Knochen zu einer Verlängerung des Halses beiträgt.
Neue Einblicke in die Evolution der Paarhufer
Die Forschenden konnten auch zeigen, dass beispielsweise der siebente Halswirbel der eher kurzhalsigen Wisente im Laufe der Evolution die Gestalt eines Brustwirbels angenommen hat. Dies scheint eine Anpassung zu Gunsten eines besonders robusten Übergangs vom Hals zum Rumpf bei diesen Tieren zu sein, bei denen die Bullen in der Brunft regelrechte Ringkämpfe mit den Hörnern austragen. Zudem ähneln sich die siebenten Halswirbel der langhalsigen Arten auffallend – die charakteristische Gestalt ist mehrmals unabhängig voneinander in der Evolution entstanden. „Die alten naturwissenschaftlichen Sammlungen sind unverzichtbar für das Verständnis der schrittweisen Veränderungen im Laufe der Evolution und helfen uns, neue molekular-systematische Ergebnisse einzuordnen und zu bewerten“, erklärt Dr. Christine Böhmer, Wirbeltierpaläontologin an der LMU, die sich für die Studie mit der Modellierung der Evolution der anatomischen Strukturen in den vergangenen rund 65 Millionen Jahren befasst hat.
Originalpublikation:
https://doi.org/10.1111/evo.14171
28.01.2021, Staatliche Naturwissenschaftliche Sammlungen Bayerns
Das Nano-Chamäleon: Ein neuer Super-Winzling unter den Reptilien
Ein internationales Team unter Leitung der Zoologischen Staatssammlung München (SNSB-ZSM) hat eine winzige neue Chamäleonart entdeckt. Das einzige bekannte, offensichtlich erwachsene Männchen hat eine Körperlänge von nur 13,5 mm und ist damit das kleinste bekannte Männchen unter den fast 11.500 bekannten Reptilienarten. Ein Vergleich mit 51 anderen Chamäleonarten ergab, dass die kleinsten Spezies relativ zur Körpergröße die größten Genitalien aufweisen. Die Arbeit erschien heute in dem wissenschaftlichen Fachjournal Scientific Reports.
Bei einer Expedition im Norden Madagaskars hat ein deutsch-madagassisches Expeditionsteam rekordverdächtig kleine Reptilien entdeckt, die nun als neue Art (Brookesia nana) beschrieben wurden. „Mit einer Körperlänge von nur 13,5 mm und einer Gesamtlänge von knapp 22 mm ist das Männchen des Nano-Chamäleons das kleinste bekannte Männchen unter allen höheren Wirbeltieren“, sagt Frank Glaw von der Zoologischen Staatssammlung München (SNSB-ZSM) und Erstautor der Studie. Das Weibchen ist mit 19 mm Körperlänge und 29 mm Gesamtlänge deutlich größer. Trotz großer Mühe gelang es nicht, weitere Exemplare der neuen Art zu finden.
„Mit Hilfe von Mikro-CT-Scans fanden wir zwei Eier im Körper des Weibchens und konnten so zeigen, dass es erwachsen ist“, sagt Mark D. Scherz von der Universität Potsdam. Um herauszufinden, ob auch das Männchen geschlechtsreif ist, untersuchte das Team die gut entwickelten Genitalien des Tieres, die sogenannten Hemipenes, die bei allen Echsen und Schlangen doppelt vorhanden sind und oft wichtige Merkmale aufweisen, um verwandte Arten zu unterscheiden. Dabei verglichen die Forscher auch die Länge seiner Genitalien mit 51 anderen Chamäleonarten aus Madagaskar und entdeckten die Tendenz, dass die kleinsten Chamäleonspezies im Verhältnis zur Körpergröße die größten männlichen Genitalien hatten. Beim Nano-Chamäleon betrug deren Länge 18,5% der Körperlänge und damit den fünfthöchsten Wert von allen untersuchten Chamäleonarten, bei der ebenfalls sehr kleinen Art B. tuberculata machten die Genitalien sogar fast ein Drittel der Körperlänge aus.
Eine plausible Erklärung für dieses Phänomen könnte darin bestehen, dass der Größenunterschied zwischen den Geschlechtern, der sogenannte Geschlechtsdimorphismus, bei Chamäleons sehr unterschiedlich ausgeprägt ist. Bei den größten Chamäleonarten sind die Männchen meist deutlich größer als die Weibchen, bei den kleinsten Arten ist es hingegen genau umgekehrt. „Demnach bräuchten die extrem miniaturisierten Männchen verhältnismäßig größere Genitalien, um eine erfolgreiche Paarung mit ihren deutlich größeren Weibchen zu ermöglichen“, erklärt Miguel Vences von der Technischen Universität Braunschweig.
„Auf Madagaskar leben auffällig viele extrem miniaturisierte Tiere, darunter die kleinsten Primaten und winzige Zwergfrösche, die mehrfach unabhängig voneinander entstanden sind“ sagt Andolalao Rakotoarison, von der Universität Antananarivo in Madagaskar. Aber warum das Nano-Chamäleon so winzig ist, bleibt rätselhaft. „Der Inseleffekt, wonach Arten auf kleinen Inseln kleiner werden, ist jedenfalls keine überzeugende Erklärung für diesen Gebirgsbewohner“ ergänzt ihre Kollegin Fanomezana Ratsoavina, ebenfalls von der Universität Antananarivo.
„Der nächste Verwandte des neuen Zwergchamäleons ist auch nicht das nur wenig größere Brookesia micra, sondern die fast doppelt so große Art B. karchei, die im selben Gebirge vorkommt. Das zeigt, dass die extreme Miniaturisierung konvergent entstanden ist“, meint Jörn Köhler vom Hessischen Landesmuseum in Darmstadt.
Die Verbreitungsgebiete der meisten Zwergchamäleons sind erstaunlich klein und umfassen in Extremfällen eine Fläche von nur wenigen Quadratkilometern. Ein kleines Verbreitungsareal ist daher auch für Brookesia nana anzunehmen. „Der Lebensraum des Nano-Chamäleons ist leider stark von Abholzung betroffen, aber das Gebiet wurde kürzlich unter Schutz gestellt, so dass die Art hoffentlich überleben wird“, meint Oliver Hawlitschek, vom Centrum für Naturkunde in Hamburg, der an den Felduntersuchungen beteiligt war.
Originalpublikation:
Glaw F, Köhler J, Hawlitschek O, Ratsoavina FM, Rakotoarison A, Scherz MD & Vences M (2021): Extreme miniaturization of a new amniote vertebrate and insights into the evolution of genital size in chameleons. – Sci Rep 11, 2522
DOI: 10.1038/s41598-020-80955-1
https://www.nature.com/articles/s41598-020-80955-1
28.01.2021, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft
Nacktmulle sprechen Dialekt
Die einen schnacken Platt, die anderen schwätzen Schwäbisch. Doch nicht nur wir Menschen, auch Nacktmulle haben ihre eigenen Mundarten entwickelt. Wie ein Team um den MDC-Forscher Gary Lewin jetzt im Fachblatt Science berichtet, stärkt das den sozialen Zusammenhalt innerhalb der Nacktmull-Kolonie.
Nacktmulle sind äußerst kommunikative Wesen. Steht man vor ihrem Bau, hört man die kleinen Nager fast ununterbrochen leise zwitschern, piepsen, zirpen oder grunzen. „Mit unserer Studie wollten wir herausfinden, ob diese Laute für die Tiere, die nach strengen Regeln in ihrem eigenen kleinen Staat leben, eine soziale Bedeutung haben“, sagt Professor Gary Lewin, der Leiter der Arbeitsgruppe „Molekulare Physiologie der somatosensorischen Wahrnehmung“ am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC).
Fremde Nacktmulle sind im Staat wenig willkommen
Gemeinsam mit Dr. Alison Barker aus seinem Team sowie weiteren Forscherinnen und Forschern vom MDC und der südafrikanischen Universität Pretoria – Professor Nigel Bennett und Dr. Daniel Hart – hat Lewin das leise Zwitschern, mit dem sich Nacktmulle untereinander zu begrüßen scheinen, genauer analysiert. „Dabei haben wir festgestellt, dass jede Kolonie ihren eigenen Dialekt hat“, berichtet Barker, die Erstautorin der jetzt in Science veröffentlichten Studie. „Offenbar stärkt die Ausbildung einer speziellen Mundart das Zugehörigkeitsempfinden und den Zusammenhalt im Nacktmull-Staat.“
Denn fremde Nacktmulle sind in einem bereits bestehenden Staat alles andere als willkommen. „Man könnte sogar sagen, dass die Tiere ausgesprochen fremdenfeindlich sind“, sagt Lewin, der die Nacktmulle schon seit rund zwanzig Jahren am MDC erforscht. „Vermutlich geht dieses Verhalten auf die permanente Nahrungsknappheit in den trockenen Steppen ihrer ostafrikanischen Heimat zurück.“ Innerhalb des eigenen Staates verhalten sich die Nager jedoch sehr kooperativ: Jedes Tier kennt seinen Rang sowie die damit verbundenen Aufgaben – und geht diesen in aller Regel sehr zuverlässig nach.
Jeder Nacktmull hat seine unverwechselbare Stimme
Um die Sprache der Nacktmulle zu analysieren, nahm das Team um Lewin über einen Zeitraum von zwei Jahren hinweg insgesamt 36.190 leise Zwitscher von 166 Tieren aus sieben im Labor gehaltenen Kolonien in Berlin und Pretoria auf. Lewins und Barkers Kollege, der Mathematiker Grigorii Veviurko, der inzwischen an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden forscht, nutzte einen Algorithmus, um die akustischen Merkmale der einzelnen Laute bildlich darzustellen. „Dadurch konnten wir acht verschiedene Faktoren wie zum Beispiel die Höhe oder die Asymmetrie der so erhaltenen Kurve erfassen und miteinander vergleichen“, erklärt Lewin.
Darüber hinaus entwickelte Veviurko ein Computerprogramm, das nach einem entsprechenden Training mit großer Zuverlässigkeit ermitteln konnte, welches leise Zwitschern von welchem Nacktmull stammt. „Wir wussten nun, dass jeder Nacktmull seine eigene Stimme hat“, sagt Barker. „Offen blieb aber, ob sich die Tiere anhand der Stimme auch untereinander erkennen.“
Das Computerprogramm, eine Form künstlicher Intelligenz, konnte die Tiere nicht nur anhand ihrer Stimme identifizieren. „Es stellte auch Gemeinsamkeiten der Laute innerhalb einer Kolonie fest“, sagt Lewin. Dadurch habe das Programm vorhersagen können, aus welcher Kolonie ein bestimmtes Tier stammt. „Jede Kolonie könnte also ihren eigenen unverwechselbaren Dialekt besitzen“, erläutert Barker. Ob den Tieren das auffalle und ob sie eigene und fremde Dialekte erkennen, sei zu diesem Zeitpunkt der Studie allerdings ebenfalls noch unklar gewesen.
Die Laute von Artgenossen wirken sehr anziehend
Um beide Fragen beantworten zu können, dachte sich Barker mehrere Experimente aus. Im ersten setzte sie wiederholt einen Nacktmull in zwei über eine Röhre miteinander verbundene Kammern. In der einen Kammer waren leise Zwitscherlaute eines anderen Nacktmulls zu hören, in der anderen war es still. „Wir konnten beobachten, dass die Tiere stets unverzüglich die Kammer mit den eingespielten Lauten aufsuchten“, erzählt Barker. Kamen die Laute von einem Tier aus der eigenen Kolonie, antwortete der Nacktmull sofort. Stammten sie von einem Tier aus einer fremden Kolonie, blieb der Nager hingegen still. „Das ließ uns vermuten, dass die Tiere den eigenen Dialekt erkennen und nur auf ihn reagieren“, sagt Barker.
Um sicher zu gehen, dass es die Mundart war und nicht die Stimme eines einzelnen Individuums, die der Nacktmull erkannte, kreierte Veviurko künstliche Laute. Diese beinhalteten spezifische Merkmale des jeweiligen Dialekts, ähnelten aber nicht der Stimme eines einzelnen Tieres. „Auch auf diese am Computer entwickelten Stimmen antworteten die Nacktmulle mit ihrem leisen Zwitschern“, berichtet Barker. Das Experiment funktionierte selbst dann, wenn in der Kammer mit der vertrauten Mundart der Duft einer fremden Kolonie verströmt wurde. „Damit hatten wir den Nachweis erbracht, dass die Tiere spezifisch den eigenen Dialekt erkennen und positiv auf ihn reagieren“, sagt Lewin.
Pflegekinder lernen den Dialekt der neuen Kolonie
In weiteren Experimenten setzten die Forscherinnen und Forscher insgesamt drei verwaiste Nacktmull-Welpen in eine fremde Kolonie, in der die Königin – die als Einzige im Nacktmull-Staat Nachwuchs bekommen darf – ebenfalls gerade geworfen hatte. „Dies gewährleistete, dass die Neuankömmlinge nicht angegriffen wurden“, erklärt Barker. „Sechs Monate später konnten wir mithilfe unseres Computerprogramms zeigen, dass die Pflegekinder den Dialekt der Gast-Kolonie erfolgreich angenommen hatten.“
Dass die Königin im Nacktmull-Staat nicht nur für den Nachwuchs sorgt, sondern auch eine ganz entscheidende Rolle bei der Pflege der Mundart spielt, entdeckte das Team eher zufällig. „Eine unserer Kolonien verlor im Verlauf der Studie nacheinander zwei Königinnen“, sagt Lewin. „Wir stellten fest, dass sich die Laute der anderen Nacktmulle des Staates in dieser Zeit der Anarchie viel mehr als sonst voneinander unterschieden, der gemeinsame Dialekt also viel weniger ausgeprägt war.“ Das habe sich erst wieder geändert, nachdem sich ein paar Monate später ein anderes, ranghohes Nacktmull-Weibchen als neue Königin etabliert habe.
Einblicke auch in das Wesen der menschlichen Kultur
„Menschen und Nacktmulle scheinen sich viel ähnlicher zu sein, als irgendjemand hätte ahnen können“, lautet das Fazit von Lewin. „Nacktmulle verfügen über eine Sprachkultur, die sich entwickelt hat, lange bevor es den Menschen überhaupt gab.“ Der nächste Schritt bestehe nun darin, herauszufinden, welche Mechanismen im Gehirn der Tiere eine solche Kultur unterstützen. „Denn das“, so glaubt der MDC-Forscher, „könnte uns wichtige Einblicke auch in das Wesen der menschlichen Kultur liefern.“
Originalpublikation:
Alison Barker et al. (2020): „Cultural transmission of vocal dialect in the naked mole-rat“. Science, DOI: 10.1126/science.abc6588
28.01.2021, Johann Heinrich von Thünen-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei
Wärmere Winter führen zu weniger Heringsnachwuchs in der westlichen Ostsee
Forschende vom Thünen-Institut für Ostseefischerei zeigen, dass vor allem die Erwärmung des Meerwassers im Winter zu massivem Rückgang der Heringslarven führt/ Veröffentlichung in Frontiers in Marine Science erschienen
Der Rückgang des Nachwuchses beim Hering der westlichen Ostsee ist eine direkte Folge der Erwärmung des Meeres und der Verschiebung der Jahreszeiten. Erstmals ist es Forschenden am Thünen-Institut für Ostseefischerei in Rostock gelungen, einen solchen Nachweis für eine kommerziell genutzte Fischart zu führen. Die Ergebnisse der Forschergruppe um Dr. Patrick Polte, Leiter der Arbeitsgruppe Heringsrekrutierung am Thünen-Institut, sind jetzt in einem Fachartikel in der Zeitschrift Frontiers in Marine Science publiziert worden.
„Wir beobachten die Laichtätigkeit des Herings im Greifswalder Bodden und Strelasund seit fast 30 Jahren, nehmen jede Woche über den gesamten Laichzeitraum an vielen Stellen Proben. Der sogenannte Rügen-Heringslarvensurvey ist damit die längste zusammenhängende und hochaufgelöste Datenserie zur frühen Lebensgeschichte eines kommerziell genutzten Fischbestands“, sagt Patrick Polte.
Der Greifswalder Bodden ist so etwas wie die Kinderstube des Heringsbestandes der westlichen Ostsee. Im Winter sammeln sich die Tiere, von ihren Sommergründen in Kattegat und Skagerrak kommend, im Öresund zwischen Dänemark und Schweden. Von dort aus machen sie sich auf den Weg in ihre Laichgebiete an der Südküste der westlichen Ostsee und laichen im Frühjahr an Wasserpflanzen im Flachwasser – ein Automatismus, der seit Jahrtausenden funktioniert. Doch seit 15 Jahren geht die Anzahl der Jungheringe signifikant zurück.
Das Rostocker Team hat seither systematisch nach den Ursachen gesucht. In einer Kombination aus Feldforschung und Zeitreihenanalyse habe sich schließlich gezeigt, dass die Heringe früher in den Bodden schwimmen als noch vor 15 Jahren, so Polte. Die Wissenschaftler können dies auf die schwächeren und verspäteten Kälteperioden in der Ostsee zurückführen. Außerdem entwickeln sich die Eier bei höheren Temperaturen schneller. „Daher schlüpfen die Larven rund 14 Tage früher als noch vor 30 Jahren“, erläutert Patrick Polte. Das Problem: Nach wenigen Tagen haben die Heringslarven ihren Dottersack aufgezehrt und brauchen dann winzigen Zooplankton-Nachwuchs als Futter. Das allerdings, so erste Ergebnisse weiterer Studien, scheint zu diesem frühen Zeitpunkt noch nicht in ausreichendem Maße vorhanden zu sein, weil es – anders als die Heringslarven – lichtgesteuert entsteht. Die Folge: Die Larven verhungern, die Zahl erwachsener und damit laichbereiter Heringe geht von Jahr zu Jahr zurück.
Aufgrund des kleiner werdenden Bestandes wurde die von den EU-Fischereiministern festgesetzte Fangmenge für Hering in der westlichen Ostsee immer weiter reduziert, allein seit 2017 um 94 Prozent. In diesem Jahr dürfen nur noch 1.575 Tonnen Hering gefangen werden. „Das kommt einer Schließung der Heringsfischerei sehr nahe“, sagt Dr. Christopher Zimmermann, Leiter des Thünen-Instituts für Ostseefischerei. „Mit unserer Studie wird auch klar, dass der Klimawandel bereits heute wirtschaftlich erhebliche Auswirkungen hat, nicht erst in 30 Jahren: Der Bestand ist nur noch halb so produktiv wie vor 30 Jahren. Trotzdem könnten noch 20.000 Tonnen Hering aus der westlichen Ostsee gefischt werden, wenn der Bestand in gutem Zustand wäre“, so Zimmermann weiter. Eine Erholung und nachhaltige Nutzung sei jedoch innerhalb von 5-6 Jahren möglich, wenn die Fangmengen niedrig blieben. Ein kalter Winter könnte die Erholung zudem beschleunigen – der ist aber nicht in Sicht.
Originalpublikation:
Reduced Reproductive Success of Western Baltic Herring (Clupea harengus) as a Response to Warming Winters. Front. Mar. Sci., 2021
https://doi.org/10.3389/fmars.2021.589242
