Evolution: Alles im Kopf

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Wie entstehen neue Arten? Um die komplexen Vorgänge besser zu verstehen, hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von LMU-Evolutionsbiologen die Gehirnmorphologie zweier eng verwandter Schmetterlingslinien verglichen, die in verschiedenen tropischen Waldhabitaten leben. Die erste, zu der die Art Heliconius cydno gehört, lebt tief in den Wäldern, wo die Lichtintensität unter dem Kronendach gering ist. Die Schwesterlinie, zu der auch die Art Heliconius melpomene gehört, lebt an den Waldrändern, wo es viel heller ist. Trotz ihrer ökologischen Unterschiede sind diese Arten sehr eng miteinander verwandt und können immer noch lebensfähige Nachkommen produzieren, was darauf hindeutet, dass sie kurz davor stehen, neue Arten zu bilden.

Das Team, dem Wissenschaftler aus Großbritannien, Deutschland und Panama angehören, fand erhebliche Unterschiede in den Gehirnen von Waldrand- und Tiefwaldarten. Bei Letzteren sind die Teile des Gehirns stärker ausgebildet, die visuelle Informationen verarbeiten. Die Forscher sammeln Schmetterlinge in ganz Süd- und Mittelamerika und ziehen gefangene Individuen unter kontrollierten Bedingungen am Smithsonian Tropical Research Institute in Panama auf. Durch gezielte Vergleich konnten die Evolutionsbiologen zeigen, dass sich die Unterschiede in den Gehirnstrukturen in einer Weise akkumuliert haben, die mit der natürlichen Selektion übereinstimmt. „Die beiden Schmetterlingsarten sind weder durch riesige Entfernungen voneinander getrennt, noch sind sie entfernt miteinander verwandt, dennoch ist ihre Gehirnstruktur fein auf die jeweiligen Lebensräume abgestimmt, die sie bewohnen“, sagt Stephen Montgomery von der University of Bristol, der das Projekt leitete. „Wir denken, dass dieser Prozess dazu beiträgt, die beiden Linien auseinanderzuhalten, was es ihnen ermöglicht, sich zu unterschiedlichen Arten zu entwickeln.“

Ähnliche Unterschiede zeigten sich, als das Team untersuchte, wie stark unterschiedliche Gene im Gehirn der Schmetterlinge exprimiert wurden. „Basierend auf dem Muster der Genexpression im Hirngewebe können wir Exemplare jeweils genau einer der Arten zuordnen“, sagt Matteo Rossi, Doktorand an der LMU München. „Die Expression der Gene, die diese Unterschiede bewirkt, entwickelt sich schnell und scheint die Regionen des Genoms zu betreffen, in denen die beiden Arten am stärksten unterscheiden.“

Unterschätzte Rolle bei der Artbildung

Um diese Effekte weiter zu untersuchen, erzeugte das Team hybride Nachkommen beider Arten. Sie fanden heraus, dass diese Hybriden eine intermediäre Gehirnmorphologien und Muster der Genexpression im Gehirn zeigten. Richard Merrill, der das LMU-Team leitet, sagte: „Unsere Studie ist aufregend, denn sie deutet darauf hin, dass die Hybriden in freier Wildbahn in beiden Lebensräumen verhaltensauffällig sein könnten und dementsprechend unter den Folgen leiden.“

Nach Aussagen der Forscher könnten die Ergebnisse darauf hindeuten, dass Anpassungen im Gehirn eine bislang unterschätzte Rolle bei der Artbildung in verschiedenen Umgebungen spielen. „Wir sind es gewohnt, daran zu denken, dass das Verhalten bei der Artbildung wichtig ist“, sagt Stephen Montgomery. „Aber die Verhaltensevolution muss eine neuronale Grundlage haben. Wir fangen gerade erst an, diese Art von Prozess zu entschlüsseln.“

Das Team hofft auch, dass ihre Arbeit veranschaulicht, wie wichtig es ist, die Komplexität der Lebensräume in tropischen Wäldern zu schützen. „Der Wald ist ein Geflecht aus verschiedenen Bedingungen, mit unterschiedlichen Strukturen und Ressourcen. Unsere Arbeit veranschaulicht, in wie engen Bahnen sich Arten entwickeln, um diese verschiedenen Mikrolebensräume zu besetzen, die eine hohe Anzahl von Arten in scheinbar kleinen Gebieten unterstützen“, sagt Owen McMillan, ein Mitautor der Studie vom Smithsonian Tropical Research Institute in Panama. „Wenn wir die Artenvielfalt in diesen Gebieten sicherstellen wollen, müssen wir die Wälder auf eine Weise schützen, die ihre natürliche Variabilität unterstützt.“
PNAS, 2021.