23.09.2019, Universität Leipzig
Männliche Weißbüschelaffen riechen Fruchtbarkeit von Weibchen
Forscher der Universität Leipzig und des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie haben herausgefunden, dass männliche Weißbüschelaffen die fruchtbare (fertile) Phase von Weibchen durch Unterschiede in deren Körpergeruch erkennen. Mit einer Kombination aus chemischen Analysen und Verhaltenstests entdeckten sie, dass weibliche Weißbüschelaffen während ihrer fertilen Phase verschiedene Substanzen freisetzen, die einen besonderen Geruch ergeben, und dass Männchen diese Unterschiede wahrnehmen können. Ihre Forschungsergebnisse haben sie jetzt in dem renommierten Fachjournal „Scientific Reports“ veröffentlicht.
Die Wissenschaftler nahmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Menstruationszyklus‘ Geruchsproben aus dem anogenitalen Bereich von weiblichen Weißbüschelaffen. Ein Teil der Proben wurde mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie untersucht, um die Zusammensetzung des Geruchs zu analysieren. Im Vergleich zwischen den Phasen des Menstrualzyklus wurden Geruchssubstanzen deutlich, die während oder nach dem Eisprung besonders intensiv waren. „Anhand dieser Substanzen könnten Männchen den Zeitpunkt und das Ende der fertilen Phase der Weibchen erkennen“, sagt die Erstautorin der Veröffentlichung, Marlen Kücklich von der Universität Leipzig und dem Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig. Deshalb wurde der andere Teil der Proben den Männchen präsentiert, um deren Interesse an den Gerüchen zu testen. Die Männchen zeigten allgemein mehr Interesse an den Geruchsproben von Weibchen während der fruchtbaren Phase als an den Proben aus nicht-fruchtbaren Phasen.
Weißbüschelaffen leben in erweiterten Familiengruppen, in denen in der Regel nur das Zuchtpaar Nachwuchs bekommt. Frühere Studien haben gezeigt, dass die väterliche Fürsorge von entscheidender Bedeutung für das Überleben der Jungtiere ist. „Nur, wenn das Männchen wirklich der Vater der Jungtiere ist, lohnt sich für ihn dieser Energieaufwand der Fürsorge. Erkennt er am Geruch des Weibchens deren fertile Phase, kann er durch gezielte Kopulationen während dieser Zeit seine Vaterschaft gegen externe Männchen sicherstellen. Damit könnte der Geruch helfen, die Bindung des Zuchtpaares zu stärken und die Überlebenswahrscheinlichkeit der Jungtiere zu erhöhen“, erklärt Marlen Kücklich die Bedeutung der Geruchsveränderungen für das Sozialleben der Weißbüschelaffen.
In dieser Studie haben die Autoren nicht nur die Verhaltensreaktionen der Tiere auf soziale Gerüche beobachtet, sondern auch die Zusammensetzung der Gerüche der Weibchen analysiert. „Methodische Probleme beim Sammeln von Gerüchen haben lange Zeit den Nachweis dieser Veränderungen im Geruchsprofil erschwert. Inzwischen haben wir eine Methode aus der Pflanzenökologie übernommen und auf das Sammeln von Körpergerüchen von Säugetieren angepasst. Dies ist eine vielversprechende Methode, mit der wir chemische Substanzen ermitteln können, die für Fertilität, soziale Dominanz, Gesundheit und Fitness spezifisch sind“, erklärt die leitende Autorin Prof. Dr. Anja Widdig, die ebenfalls an beiden Einrichtungen forscht. Zukünftige Studien könnten auf diese Art und Weise helfen, die soziale Kommunikation von Primaten, einschließlich den Menschen, besser zu verstehen.
Originaltitel der Veröffentlichung in „Scientific Reports“:
“Chemical cues of female fertility states in a non-human primate”, Doi: 10.1038/s41598-019-50063-w
24.09.2019, Humboldt-Universität zu Berlin
Sicherer gemeinsam: Bei Gefahr orientieren sich Fische an der Reaktion des Schwarmes
Internationale Studie zum Thema Schwarmintelligenz.
Bei Gefahr reagieren Fischschwärme blitzschnell und rücken eng zusammen. Während das Verhalten von Individuen bei veränderten Umwelteinflüssen bereits gut erforscht ist, geben die Reaktionen von Schwärmen immer noch Rätsel auf. Eine aktuelle Studie der Humboldt-Universität zu Berlin (HU), der Princeton University, der Arizona State University und des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie/Universität Konstanz zeigt, dass die Reaktionen von Fischen in einer Gruppe bei Gefahr fast vollständig durch die Anpassung des Schwarms bestimmt sind. Wenn sich eine Bedrohung nähert, kommt es zu kollektiven Fluchtkaskaden, bei denen sich das Verhalten blitzartig durch den Schwarm ausbreitet. Die einzelnen Tiere im Schwarm rücken näher zusammen, werden aber nicht schreckhafter. Je enger die Tiere beieinander sind, desto schneller breiten sich soziale Informationen aus. Dadurch wird auch die kollektive Reaktion stärker – ohne, dass der einzelne Fisch aufmerksamer sein muss. Die Ergebnisse der Forschung wurden jetzt in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.
Bei den Experimenten, die in Princeton stattfanden, wurden Fische Schreckstoff ausgesetzt. Das ist ein Wirkstoff, der bei der Verletzung bestimmter Fischarten freigesetzt wird und anderen Fischen signalisiert, dass Gefahr droht. „Schwarmintelligenz entsteht aus dem Zusammenspiel zwischen dem Verhalten einzelner Individuen und der dynamischen, veränderlichen Struktur des Schwarms“, erklärt Romanczuk, Leiter der Arbeitsgruppe „Kollektive Informationsverarbeitung“ am Institut für Biologie der HU, der gemeinsam mit Winnie Poel mathematische Modelle für kollektive Kaskaden bei Fischen formulierte. „Die Risikowahrnehmung wird quasi an die Schwarmstruktur ausgelagert.“
Kollektive Intelligenz auch für technische Entwicklungen nutzbar
Romanczuk ist Mitglied des gemeinsamen Exzellenzclusters „Science of Intelligence“ der HU, der Freien Universität Berlin, der Charité, der Universität Potsdam und dem Max-Planck-Institut für Bildungsforschung Berlin. Ziel ist die Erforschung von kollektiver Intelligenz. Erkenntnisse, die beispielsweise durch die Analyse von Fischschwärmen gewonnen werden, sollen auch für technische Entwicklungen genutzt werden. „Sie könnten helfen, neuartige, intelligente Roboterschwärme zu entwickeln, die bei autonomen Aufgaben unter gefährlichen Umweltbedingungen zum Einsatz kommen – sei es im Katastrophenfall oder bei der Erkundung der Tiefsee“, erklärt Romanczuk.
Lebendige Einblicke in die Forschungsprojekte des Clusters wird ab 2020 die Ausstellung der HU im Humboldt Forum geben. Ein auf einen Vorhang projizierter Fischschwarms wird dort zeigen, wie die Tiere auf potentielle Bedrohungen reagieren. Mit einem Joystick können Besucherinnen und Besucher außerdem einen Robo-Fisch, der von einem anderen künstlichen Fisch verfolgt wird, durch ein Aquarium lenken und so eine Vorstellung vom Schwarmverhalten bekommen.
Originalpublikation:
https://www.pnas.org/content/early/2019/09/17/1905585116
24.09.2019, Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Evolutionsexperiment: Spezifische Immunabwehr von Käfern passt sich Bakterien an
Das Gedächtnis des Immunsystems ist in der Lage, ein fremdes Protein, mit dem der Organismus schon einmal in Kontakt gekommen ist, von einem anderen zu unterscheiden und mit einem entsprechenden Antikörper zu reagieren. Evolutionsbiologen der Universität Münster haben nun bei Mehlkäfern herausgefunden, dass sich die Fähigkeit des Immunsystems, spezifisch Erreger abzuwehren, im Zuge der Evolution anpassen kann. Die Ergebnisse könnten dabei helfen, auch molekulare Prozesse zu durchschauen, die im menschlichen angeborenen Immungedächtnis eine Rolle spielen und medizinisch genutzt werden könnten. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „PNAS“ erschienen.
Wenn das Immunsystem Erreger abwehrt, kann das auf die unterschiedlichsten Weisen passieren. Das Gedächtnis des Immunsystems ist zum Beispiel dazu in der Lage, ein fremdes Protein, mit dem der Organismus schon einmal in Kontakt gekommen ist, von einem anderen zu unterscheiden und mit einem entsprechenden Antikörper zu reagieren. Forscher haben nun experimentell untersucht, ob sich die Fähigkeit des Immunsystems, spezifisch Erreger abzuwehren, im Zuge der Evolution anpassen kann. Dazu sahen sie sich viele aufeinanderfolgende Generationen von Mehlkäfern an – denn auch Insekten können bis zu einem gewissen Grad Krankheitserreger spezifisch bekämpfen.
Nachdem die Wissenschaftler die Tiere und ihre Nachkommen wiederholt mit Bakterien konfrontiert hatten, beobachteten sie, dass bereits nach wenigen Generationen die Immunsysteme der Käfer verstärkt reagierten. „Unsere Studie hilft uns, zu verstehen, ob die Fähigkeit zur Spezifität eines Immunsystems sich rasch an die Bedingungen der wiederholten Konfrontation mit Krankheitserregern anpassen kann“, sagt Studienleiter Prof. Dr. Joachim Kurtz von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU).
Die Ergebnisse könnten dabei helfen, auch molekulare Prozesse zu durchschauen, die im menschlichen angeborenen Immungedächtnis eine Rolle spielen und medizinisch genutzt werden könnten. Da sich Insekten gut dazu eignen, um experimentelle Evolution durchzuführen, können die so gewonnenen Erkenntnisse das Wissen über das Immunsystem von Säugetieren sinnvoll ergänzen. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „PNAS“ (Proceedings of the National Academy of Sciences) erschienen.
Hintergrund und Methode:
Das Immunsystem des Menschen besteht aus zwei Hauptsystemen, dem angeborenen und dem erworbenen Immunsystem. Letzterer ist der Teil, der sich hauptsächlich an Erreger „erinnern“ und spezifisch reagieren kann. Insekten haben ein anderes Immunsystem, jedoch konnten Wissenschaftler bereits zeigen, dass auch Insekten durch Vorerfahrungen mit Krankheitserregern verstärkt auf Infektionen reagieren können. Bisher war aber noch nicht untersucht worden, ob sich diese immunologische Spezifität an die jeweilige bakterielle Umgebung evolutionär anpassen kann.
Für ihr Experiment sammelten die Evolutionsbiologen Daten von mehr als 48.000 Rotbraunen Reismehlkäfern über einen Zeitraum von drei Jahren. Dabei teilten sie die Käfer in verschiedene Gruppen ein, um sie – ähnlich einer Impfung – jeweils im Larvenstadium zunächst abgetöteten und dann lebenden Bakterien in unterschiedlichen Kombinationen von sechs verschiedenen Bakterienarten auszusetzen. In einigen der Gruppen setzten die Wissenschaftler innerhalb einer Generation dieselben Bakterien ein, in den anderen Gruppen konfrontierten sie die Käfer mit jeweils unterschiedlichen Bakterien. 14 Generationen und drei Jahre später erhoben sie die Ergebnisse des Experiments: Käfer, die jeweils derselben Bakterienart für „Impfung“ und Infektion ausgesetzt waren, hatten über die Generationen hinweg eine erhöhte Spezifität ausgebildet. Diese half den Käfern vor allem, wenn sie sich gegen Bacillus thuringiensis, einem natürlichen Insektenpathogen, verteidigen mussten.
Die erhöhte Spezifität zeigte sich darin, dass nach der „Impfung“ mit diesem natürlichen Erreger eine größere Aktivierung bestimmter Gene zu erkennen war, die für das Immunsystem und den Stoffwechsel eine Rolle spielen. Gleichzeitig stiegen die Überlebenschancen der Käfer nach einer Infektion mit dem Bakterium – anders als bei Käfern, deren Evolution in Richtung einer niedrigen Spezifität abgelaufen war. „Für bestimmte Bakterien kann sich also zügig eine hohe Spezifität im Zuge der Evolution entwickeln, vermutlich bedingt durch Veränderungen in der Steuerung von Immungenen“, sagen die Erstautoren, Dr. Kevin Ferro und Dr. Robert Peuß, die im Rahmen ihrer Doktorarbeiten am Institut für Evolution und Biodiversität der WWU die Experimente durchführten. Auffällig war allerdings, dass diese Veränderung nicht bei allen Bakterien auftrat, die im Versuch eingesetzt wurden. Eine mögliche Erklärung hierfür könnten die bei Insekten begrenzten Möglichkeiten sein, verschiedene Antigene zu erkennen und zu bekämpfen.
Relevanz und Ausblick:
Die in diesem Versuch identifizierten molekularen Mechanismen könnten beim Menschen in der sogenannten Trained Immunity eine Rolle spielen – einer in der Medizin diskutierten Möglichkeit, nicht nur das Gedächtnis des erworbenen, sondern auch des angeborenen Teils des Immunsystems zu trainieren. Auf Grundlage der neu gewonnenen genetischen Daten wollen die Wissenschaftler das Immungedächtnis von Insekten noch genauer untersuchen und dazu die relevanten Gene durch molekularbiologische Verfahren „ausschalten“. Darüber hinaus möchten die Wissenschaftler zukünftig auch einen Blick auf die Bakterien werfen und untersuchen, ob diese sich zum Beispiel schneller entwickeln, wenn ihr Wirt auf sie vorbereitet ist. Da der Mehlkäfer unter anderem in der Lebensmittelproduktion als Schadinsekt gilt, können die Ergebnisse auch dazu beitragen, neue Strategien zu finden, um ihm entgegenzuwirken.
An der Studie waren neben der Universität Münster die Universität Kiel, das Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön, die University of Arizona und das Stowers Institute for Medical Research in Kansas City beteiligt.
Originalpublikation:
K. Ferro & R. Peuß et al. (2019): Experimental evolution of immunological specificity. PNAS; DOI: 10.1073/pnas.1904828116
25.09.2019, Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)
Grundwasserquellen bereiten Korallenriffen Probleme
Klimawandel, Ozeanversauerung, Überfischung – Korallenriffe sind vielen schädigenden Einflüssen ausgesetzt. Ein Wissenschaftlerteam des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) beschreibt jetzt in der Fachzeitschrift Limnology and Oceanography eine weitere Gefährdung, die weitaus mehr Einfluss haben könnte, als bisher gedacht: submarine Grundwasserquellen.
Viele Taucher kennen das Phänomen: beim Gleiten durch ein Korallenriff fallen an manchen Stellen plötzlich breite Schlieren im Wasser auf, das dort auch deutlich kälter ist. Es handelt sich um Grundwasser, das sich über viele Kilometer hinweg einen Weg vom Land her durch Gesteins- und Sandschichten gebahnt hat und nun aus dem Meeresboden hervorsprudelt.
Solche submarinen Süßwasserquellen sind weltweit verbreitet, von der Wissenschaft aber bisher kaum erforscht. Laut bisherigen Schätzungen machen derartige Quellen bis zu 10% der Wassermenge aus, die vom Land ins Meer eingetragen wird. Besonders häufig sind sie in Erdschichten vulkanischen Ursprungs zu finden. Diese sind durchsetzt von Blasen und Gängen, die der glühende Lavastrom gebildet hat. Für das Grundwasser ist das poröse Lavagestein ein ideales Leitsystem.
Inmitten eines Korallenriffs vor der indonesischen Vulkaninsel Lombok entdeckten Till Oehler und Nils Moosdorf, Geologen am ZMT, eine Vielzahl solcher Grundwasserquellen. Dort bot sich jedoch auch ein Bild der Zerstörung: die Quellen wurden von tiefen Rissen und Spalten im Riff gesäumt, teilweise hatten sich auch große Krater mit einem Durchmesser von bis zu 16 Metern gebildet. Auf dem Meeresboden häufte sich Korallenschutt, vielfach überwucherten Algen das Riff.
Messungen der beiden Forscher ergaben, dass eine große Menge Wasser aus den einzelnen Riffquellen strömt: bis zu fünf Liter pro Sekunde. „Dieses Grundwasser ist meist stark belastet und sehr reich an Nährstoffen wie Nitrat oder Phosphat, da es Dünger und Abwässer aus Industrie, Landwirtschaft und Siedlungen mit sich trägt. Lombok und viele andere Inseln in der Region besitzen so gut wie keine Kläranlagen“, berichtet Dr. Till Oehler.
Um die Wasserchemie zu untersuchen, nahmen die Geologen Grundwasserproben aus dem Riff sowie von Brunnen an Land. So stellten sie fest, dass die Nitratwerte an den Riffquellen 40 Mal höher waren als im umgebenden Wasser. Auch den Ursprung der Riffquellen konnten sie nachverfolgen, er lag auf Lombok in einer dicht besiedelten Talregion.
Korallenriffe gedeihen am besten in nährstoffarmem, klarem Wasser. Ein Übermaß an Nährstoffen jedoch begünstigt ein starkes Algenwachstum. Die Algen konkurrieren mit Korallen um den Siedlungsplatz im Riff, überwuchern sie und führen letztendlich dazu, dass sie absterben. „Zudem sprudelt aus den submarinen Grundwasserquellen kalkaggressives Wasser“, erklärt Prof. Dr. Nils Moosdorf. „Es ist saurer als das Meerwasser und beeinträchtigt die Skelettbildung und somit das Wachstum der Korallen“.
Süsswasserquellen, wie sie die Forscher beschreiben, wurden auch in Riffen vor Hawaii, Mexiko und den Philippinen gefunden. Die ZMT-Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie weit verbreitet sind. Entlang des Pazifiks erstreckt sich beispielsweise dort, wo Kontinentalplatten aufeinanderstoßen, ein Vulkangürtel: der Pazifische Feuerring. Wie Perlen einer Kette reihen sich vor Australien und Südostasien Inselgruppen vulkanischen Ursprungs aneinander. Das Gebiet ist reich an Korallenriffen und eine der artenreichsten Meeresregionen der Erde. Auch hier vermuten die Forscher weitere Süsswasserquellen.
„Das Grundwasser wird vom Regen gespeist, der insbesondere zu Monsunzeiten sturzflutartig herabströmt“, so Moosdorf. „Laut Prognosen zu den Folgen des Klimawandels sollen die Regenfälle in der Region noch deutlich intensiver werden. Das könnte dazu führen, dass submarine Grundwasserquellen und ihre Nährstofffracht weiter zunehmen.“
Originalpublikation:
Oehler, T., Bakti, H., Lubis, R. F., Purwoarminta, A., Delinom, R., & Moosdorf, N. (2019). Nutrient dynamics in submarine groundwater discharge through a coral reef (western Lombok, Indonesia). Limnology and Oceanography, lno.11240. https://doi.org/10.1002/lno.11240
