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Streiflichter


Studium Integrale Journal
21. Jahrgang / Heft 1 - Mai 2014
Seite 45 - 57





Als Jäger eines umfangreichen Spektrums von Insekten setzen Spinnen zu deren Überwältigung und Verdauung komplexe Stoffgemische ein, die sie durch ihre Kieferklauen (Cheliceren) in die Beutetiere injizieren. In toxikologischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Spinnengifte einzelner Spinnen mehr als 1000 giftige Peptide enthalten können; die meisten davon dürften für Insekten schädlich sein.

Bestimmte Insekten können unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten bei der Herstellung von Nahrungsmitteln und deren Lagerung einen großen Schaden anrichten. Da viele dieser schädlichen Insekten gegen Insektizide Resistenzen entwickelt haben, wird intensiv nach neuen Peptiden gesucht, mit deren Hilfe diese Insekten kontrolliert werden können. Besonders interessant sind dabei Peptide, die von den Insekten mit der Nahrung (oral) aufgenommen werden und dann möglichst rasch ihre Wirkung entfalten.

Da Spinnen ihre komplexen Toxingemische direkt in ihre Beute injizieren, ist man bisher davon ausgegangen, dass diese nach oraler Verabreichung ihre Wirksamkeit durch Verdauung weitgehend einbüßen. Für eine Optimierung der Spinnengifte bezüglich ihrer Wirksamkeit nach oraler Aufnahme gibt es unter natürlichen Bedingungen keinen erkennbaren Selektionsdruck, da die Spinnengifte nicht durch die Mundöffnung in den Körper der Beutetiere gelangen. Dennoch gibt es Bestandteile in Spinnentoxinen, die bei oraler Aufnahme auch in sehr kleinen Mengen wirksam sind. Harady et al. (2013) haben aus dem Spinnengift der Australischen Vogelspinne (Selenoptus plumipes) ein oral hoch aktives, als Insektizid wirksames Peptid isoliert und genauer untersucht. Das von den Autoren als OAIP-1 (orally active insecticidal peptide) bezeichnete Peptid erweist sich als hochwirksam gegen Termiten, Mehlwürmer und die Baumwoll-Kapseleule (Helicoverpa armigera).

Das Peptid besteht aus 34 Aminosäuren und ist durch drei Disulfidbindungen (Cystein-Knotenstruktur) in seiner kompakten Struktur stabilisiert. OAIP-1 zeigt auffallende thermische und chemische Stabilität und ist auch widerstandsfähig gegen Proteasen (= Protein abbauende Enzyme). Bei Temperaturen von bis zu 30 °C ist das Peptid mindestens eine Woche lang in seiner Struktur unverändert und in Hämolymphe von Insekten über mehrere Stunden stabil.

Harady et al. haben die Hoffnung, dass das von ihnen beschriebene Peptid zur Entwicklung neuer Insektizide führt. Ihre Untersuchung ist auch insofern interessant, als dass hier eine Komponente im Spinnengift beschrieben wird, die eine sehr spezifische Eigenschaft besitzt – nämlich die auffällig starke Wirkung als Insektizid nach oraler Aufnahme –, ohne dass hierfür bisher ein Selektionsfaktor bekannt ist.

H. Binder

[Hardy MC, Daly NL, Mobli M, Morales RAV & King GF (2013) Isolation of an orally active insecticidal toxin venom of an Australian Tarantula. PLoS ONE 8: e73136.doi:10.1371/journal.pone.0073136.]


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Bestätigen neue Fossilfunde immer wieder Evolution? Der Fund eines Fischfossils aus dem oberen Silur Chinas stellt eine etablierte Abstammungsvorstellung auf den Kopf: Knochenfische sollen nun vor den Knorpelfischen entstanden sein. Das hätte allerdings evolutionstheoretisch zur Folge, dass ein knöcherner Kiefer zweimal unabhängig entstand oder dass die Entstehung der Knorpelfische mit zahlreichen Rückbildungen einherging. Beides ist nicht gerade plausibel.

Die Einschätzung, dass eine allgemeine Evolution der Lebewesen eine Tatsache sei, wird häufig damit begründet, dass neue Befunde sich immer wieder in das evolutionstheoretische Theoriegebäude einfügen ließen und aus Evolutionstheorien abgeleitete Vorhersagen sich erfüllten. So wird beispielsweise auf passende fossile Übergangsformen verwiesen. Tatsächlich aber entsprechen viele neue Fossilfunde jedoch gerade nicht den evolutionstheoretisch motivierten Erwartungen.

Ein jüngst entdecktes Fossil verlängert die Reihe evolutionstheoretisch völlig unerwarteter Formen. Von diesem Fund, der den Stammbaum der Wirbeltiere kräftig „durcheinanderwirbelt“ (http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/2266356/) berichteten Min Zhu und Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in der Wissenschaftszeitschrift Nature. Es handelt sich dabei um das Fossil eines etwa 20 cm langen Fisches, das die etablierte Theorie über die stammesgeschichtlichen Beziehungen von Knochen- und Knorpelfischen komplett in Frage stellt (Zhu et al. 2013).

Bisher war man davon ausgegangen, dass Knorpelfische ähnlich den heutigen Haien Vorfahren der Knochenfische seien. Die beiden Gruppen bilden zusammen mit den ausgestorbenen Panzerfischen (Placodermi) und den Acanthodii die Kiefermäuler (Gnathostomata). Zu den Knorpelfischen gehören Haie, Rochen und Seekatzen. Sie besitzen keine Knochen; ihr Skelett ist aus Knorpel aufgebaut, der jedoch durch Kalkeinlagerung eine hohe Festigkeit erreicht, die die enorme Größe mancher Haie erlaubt. Richtiges Knochengewebe wird nur ganz selten bei großen alten Haien in den Wirbeln ausgebildet. Der Großteil der Fische (über 95% der Arten) hat dagegen ein knöchernes Skelett, das als evolutionäre Weiterentwicklung betrachtet wird. Im Kopfbereich besitzen die Knochenfische anders als die Knorpelfische feste Platten und hochentwickelte Kieferknochen, was den Fischen sozusagen ein „richtiges Gesicht“ verleiht. Dagegen besitzen die Knorpelfische im Schädelbereich nur winzige Schuppen.

Der Fund des neuen Fossils, das den Gattungsnamen Entelognathus erhielt, stammt aus dem oberen Silur der Yunnan-Provinz Chinas und wurde auf 419 Millionen Jahre datiert. Entelognathus ähnelt mit seiner knochigen Schulter- und Schädelpartie den Panzerfischen, die als frühe Abspaltung der Linie gelten, aus denen sich Knorpel- und Knochenfische entwickelt haben sollen. Es stellte sich jedoch heraus, dass die neu entdeckte Art auch differenzierte Kieferknochen besaß, wie sie bisher nur von Knochenfischen bekannt sind, ein komplexes Arrangement kleinerer Knochen, die als Prämaxilla und Maxilla im Oberkiefer, als Dentale im Unterkiefer und als Wangenknochen bekannt sind (Zhu et al. 2013). Es handelt sich also um einen Fisch mit Gesicht, der damit der älteste bekannte Fisch mit Gesicht ist.

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Abb. 1: Modellierung der Evolution des kiefertragenden Gesichts der Wirbeltiere. Die Knochenfische besitzen große Schädelknochen, während die fossilen Acanthodii und Knorpelfische (z. B. Haie) zahlreiche kleine Knochen oder winzige Schuppen tragen. Panzerfische besitzen ebenfalls große Schädelknochen. Die Position von Entelognathus (E.) ist unsicher, da diese fossile Gattung anatomische Merkmale der Knochenfische und Panzerfische besitzt. Entgegen früherer Annahmen lassen sich die Merkmalsverteilungen nun eher so erklären, dass die Knorpelfische abgeleitet und nicht ursprünglich sind. Weiteres im Text. (Nach Friedman & Brazeau 2013 , Abdruck mit freundlicher Genehmigung)

Das hat weitreichende Folgen für die stammesgeschichtliche Einordnung: Entelognathus könnte zu einer Schwestergruppe der Panzerfische gehören oder eng mit dem letzten gemeinsamen Vorfahren von Knorpel- und Knochenfischen verwandt sein (Abb. 1). In jedem Fall kann der hochentwickelte Kiefer nicht mehr als Alleinstellungsmerkmal der Knochenfische angesehen werden. Der knöcherne Kiefer als Struktur könnte somit zweifach unabhängig (konvergent) entstanden sein. Oder aber, und dazu scheinen die Wissenschaftler zu neigen, die Schädelknochen sind in der Knorpelfisch-Linie wieder verlorengegangen, wenn die Knochenfische vor den Knorpelfischen entstanden sein sollen (Friedman & Brazeau 2013). Beide Möglichkeiten sind wenig plausibel – nicht umsonst wurde die Stammesgeschichte der beiden großen heute lebenden Fischgruppen bisher genau anders herum rekonstruiert: Knorpelfische vor Knochenfischen.

Unerwartete Funde und Evolution. Auf der Basis etablierter stammesgeschichtlicher Hypothesen war das neue Fossil mit der Kombination von Merkmalen aus Placodermen und Knochenfischen nicht vorhergesagt worden. Es erfordert die Annahme einer Umkehr der Evolutionsrichtung gegenüber den bisher favorisierten Hypothesen. Natürlich kann die (Re-)Konstruktion von Stammbäumen immer an neue Fossilfunde angepasst werden; Fossilien können die Evolution als konzeptionelle Vorgabe nicht „umstürzen“. Aber die Anpassung der Theorie an die Befunde erfordert, hier wie in vielen anderen Fällen, eine Verkomplizierung evolutionstheoretischer Hypothesen: Entweder muss eine zweimal unabhängige Entstehung von knöchernem Kiefer und Knochenplatten oder deren Verlust bei den Knorpelfischen angenommen werden. Man kann schwerlich behaupten, dass der neue Fund das evolutionäre Paradigma einmal mehr bestätigt hätte.

R. Junker

[Zhu M, Yu X et al. (2013) A Silurian placoderm with osteichthyan-likemarginal jaw bones. Nature 502, 188-193; Friedman M & Brazeau MD (2013) A jaw-dropping fossil fish. Nature 502, 175-177.]


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Evolution der Lebewesen bedeutet u. a. schrittweiser Erwerb neuer Organe und neuer Funktionen. Alle lebendigen Konstruktionen müssen in der Regel auf einfacher gebaute Vorläufer zurückführbar sein, jedenfalls auf lange Sicht. Auch rückgebildete Organe müssen irgendwann de novo entstanden sein. Aus diesem Grund wird die Vielfalt der Organismen unter evolutionstheoretischen Voraussetzungen im hypothetischen Stammbaum primär so angeordnet, dass einfache Formen näher an der Basis stehen als vergleichbare komplexere Varianten. Allerdings ist schon lange klar, dass es auch die umgekehrte Richtung hin zu Vereinfachung oder Verkümmerung gibt. Das ändert jedoch nichts daran, dass auch rückgebildete Organe zuvor erst einmal entstehen mussten. Wenn Evolution abgelaufen ist, müssen alle Organe irgendwann „klein angefangen“ haben.

Vor diesem Hintergrund ist es überraschend, dass neuere Befunde immer wieder darauf hindeuten, dass Organismengruppen – soweit sie fossil zurückverfolgt werden können – in komplexer Ausprägung ihren Einstand in der Fossilüberlieferung geben, um anschließend zum Teil erhebliche Rückbildungen zu erleben. Über ein solches Beispiel berichten Andreas Wanninger von der Universität Wien und sein Team (Scherholz et al. 2013). Um die bis heute unklaren Abstammungsverhältnisse der Weichtiere (Mollusken) zu erhellen, untersuchten die Forscher den Entwicklungszyklus der einfach gebauten Art Wirenia argentea (Abb. 1) aus der Weichtiergruppe der Aculifera (Stachelweichtiere). Die Aculifera bilden eine der beiden großen Untergruppen der Mollusken; ihre wurmförmigen oder walzlichen Vertreter haben keine typische Molluskenschale, sondern Kalknadeln oder kalkige Platten auf der Außenhaut. Unter ihnen werden schalenlose Tiere (Aplacophora, Wurmmollusken) und beschalte Formen (Polyplacophora, Käferschnecken) unterschieden. (Die andere Untergruppe sind die Conchifera, primär einschalige Formen, zu denen Schnecken, Muscheln und Tintenfische gehören.)

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Abb. 1: Der vier Millimeter lange, schalenlose Furchenfüßer Wirenia argentea liefert neue Erkenntnisse zum Entwicklungszyklus von Weichtieren. (© Universität Wien/Thomas Schwaha, Abdruck mit freundlicher Genehmigung

Bislang galten die wurmförmigen, meist nur einige Millimeter bis wenige Zentimeter großen Aplacophora als evolutionär ursprünglich, weil ihr innerer Bau deutlich einfacher ist als der der Polyplacophora. Die eher schneckenförmigen Polyplacophora haben dagegen eine ausgesprochen spezialisierte Muskulatur, Saugfüße und acht Schalenplatten.

Die Forscher fanden nun jedoch heraus, dass die Larven von Wirenia eine sehr viel komplexere Körpermuskulatur besitzen als die erwachsenen (adulten) Tiere. Der deutlich einfachere Bau der adulten Tiere wird erst nach der Metamorphose verwirklicht. Die komplexe Muskulatur der Larven gleicht dabei zudem der Muskulatur ausgewachsener Formen der Polyplacophora. Daraus ziehen die Wissenschaftler den Schluss, dass der einfache Bau der ausgewachsenen Aplacophora nicht die ursprüngliche Ausprägung gewesen sein kann, vielmehr muss dieser durch massive Vereinfachung sehr viel komplexer gebauter Vorfahren entstanden sein. Der evolutionäre Weg wäre damit von komplex nach einfach verlaufen, die Aplacophora wären sekundär vereinfacht. Das heißt umgekehrt auch, dass der mutmaßliche gemeinsame Vorfahr ziemlich komplex gebaut war und sein Ursprung im Dunkeln liegt. Ein neuerer Fossilfund, Kulindroplax perissokosmos aus dem Silur und auf 425 Millionen Jahre datiert, stützt die Rückbildungshypothese (http://idw-online.de/de/news557238). Denn diese Art gleicht in wesentlichen Merkmalen den heute lebenden Aplacophoren, nur im Besitz von Schalenplatten unterscheidet sich diese Art von heutigen Formen – ein Beispiel für Stasis (evolutionärer Stillstand). „Es sieht also ganz danach aus, dass unsere heute lebenden, einfach gebauten ‚Nicht-Schalenträger‘ von einem schalentragenden Vorfahr mit einer hochkomplexeren Muskulatur abstammen“, wird Wanninger zitiert (http://idw-online.de/de/news557238).

Wie im Falle der Knorpelfische (im vorigen Streiflicht) wird evolutionstheoretisch auch hier der Schluss einer Entwicklung Richtung Vereinfachung nahegelegt. Es gibt zahlreiche weitere Beispiele dieser Art.

R. Junker

[Scherholz M, Redl E, Wollesen T, Todt C & Wanninger A (2013) Aplacophoran mollusks evolved from ancestors with Polyplacophoran-like features. Curr. Biol. http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2013.08.056.]


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Vergleichende Studien und Fossilfunde haben in der jüngeren Vergangenheit wiederholt nahegelegt, dass unter evolutionstheoretischen Voraussetzungen eine früh etablierte große Komplexität von Organen angenommen werden muss und dass sich deren Bau bis heute nicht mehr wesentlich verändert hat. Beispiele aus jüngerer Zeit sind das Gehirn von Fliegen (Strausfeld & Hirth 2012), das Nervensystem von Gliederfüßern (Ma et al. 2012) und Komplexaugen (Lee et al. 2011). Entsprechendes gilt auch für die genetische Ausstattung (vgl. z. B. Putnam et al. 2007).

Erst kürzlich stellte sich heraus, dass das Gehirn des kambrischen Krebses Fuxianhuia in Proto-, Deutero- und Tritocerebrum gegliedert ist – genauso wie bei vielen heute lebenden Höheren Krebsen und Insekten. Nun bestätigt ein weiterer Gliederfüßer aus der Zeit der „Kambrischen Explosion“ die frühe Etablierung eines modernen Gliederfüßer-Gehirns von Beginn der Fossilüberlieferung der betreffenden Tiergruppe an. Es handelt sich dabei um Alalcomenaeus sp. aus der berühmten unterkambrischen Chengjiang-Lagerstätte in Südwestchina (Alter: ca. 520 Millionen radiometrische Jahre). Gengo Tanaka (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, Yokosuka) und Mitarbeiter beschrieben dieses Fossil in einem Nature-Artikel.

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Abb. 1: Alacomenaeus sp. aus der Chengjiang-Lagerstätte Chinas, seitliche Sicht. ey Auge, GA große Anhänge, C1-C3 zweigabelige Kopfanhänge, T1-T3 zweigabelige Rumpfanhänge. Balken: 2 mm. (Aus Tanaka et al. 2013; Abdruck mit freundlicher Genehmigung)

Der fossile ca. 3 cm lange Gliederfüßer gleicht einigen typischen Vertretern der damaligen Fauna. Sein Körper ist segmentiert, das Tier besitzt ein Dutzend Beinpaare mit leicht verbreiterten Anhängen, die sowohl ein Krabbeln auf dem Meeresgrund als auch das Schwimmen ermöglichten. Erhalten sind auch paarige Augen mit einem Durchmesser von je 0,75 mm und zusammengesetzt aus 15 mm großen Facetten. Am Kopf trug das Tier zwei mit großen Klauen ausgestattete Anhänge, aufgrund derer es zu den Megacheira („große Hände“) gestellt wird.

Die Gliederfüßer (Arthropoda) werden unterteilt in:

Chelicerata Spinnentiere (Webspinnen, Weberknechte, Skorpione und Milben) und Pfeilschwänze

Mandibulata Krebse, Hexapoden (Insekten u. a.) und Tausendfüßer

Bei Fossilien ist es allerdings schwer zu entscheiden, ob die Scheren vom Krebstyp oder vom Spinnentyp sind. Die Scheren beider Gruppen sind zwar ähnlich, entstehen ontogenetisch aber auf verschiedene Weise und entsprechen verschiedenen Körperteilen. Bei Alalcomenaeus half jedoch die spinnentypische Struktur des Gehirns, eine Entscheidung bezüglich der Zugehörigkeit zu treffen. Es konnte nachgewiesen werden, dass die großen, paarigen Scheren vom gleichen Hirnteil kontrolliert wurden wie bei den heutigen Spinnentieren (Webspinnen, Weberknechte, Skorpione und Milben) und Pfeilschwänzen, die als Kieferklauen- oder auch Scherenträger (Chelicerata) zusammengefasst werden. Somit ist klar, dass die Megacheira evolutionstheoretisch als die bislang ältesten bekannten Vorfahren der heutigen Spinnentiere angesehen werden können.

Mittels Computertomografie und einer Laser-Scanning Technik konnten Tanaka et al. (2013) die Anatomie des Nervensystems von Alalcomenaeus genau untersuchen – dank der sehr guten Erhaltung des Fossils. Der Urzeit-Gliederfüßer aus dem Kambrium ist so gut erhalten, dass sein Gehirn und Nervensystem weitgehend intakt konserviert sind. Dabei zeigte sich große Ähnlichkeit mit Gehirn und Nervensystem der heutigen Cheliceraten („Scherenträger“). Die Ähnlichkeiten betreffen die Anordnung der paarigen optischen Neuropile (Sehzentrum), das Gehirn (eine Art Vorhirn sowie ein aus vier Nervenknoten verschmolzenes Gehirn) und die Ganglien (Tanaka et al. 2013, 364).

Einmal mehr zeigt sich, dass Organe von Tieren, die während der „kambrischen Explosion“ fossil auftauchen, in ihrer Komplexität heutigen Formen gleichen. Mit Alalcomenaeus und Fuxianhuia sind nun aus Chengjiang Fossilien überliefert, deren Gehirn modernen Vertretern der beiden Hauptgruppen der Gliederfüßer ähnelt. Die Autoren stellen fest: „Alalcomenaeus und Fuxianhuia protensa zeigen, dass die beiden Hauptkonfigurationen des Gehirns, wie wir sie bei modernen Gliederfüßern kennen, nämlich der Chelicerata und Mandibulata, im frühen Kambrium evolviert waren“ (zur Taxonomie siehe Kasten). Damit ist auch klar, dass diese beiden Gruppen bereits im Unterkambrium getrennt waren, denn Alalcomenaeus und Fuxianhuia lebten gleichzeitig, sind aber den beiden verschiedenen Gruppen zuzuordnen.

R. Junker

[Lee MSY, Jago JB, García-Bellido DC, Edgecombe GD, Gehling JG & Paterson JR (2011) Modern optics in exceptionally preserved eyes of Early Cambrian arthropods from Australia. Nature 474, 631-634; Ma X, Hou X, Edgecombe GD & Strausfeld NJ (2012) Complex brain and optic lobes in an early Cambrian arthropod. Nature 490, 258-261; Strausfeld NJ & Hirth F (2012) Deep homology of arthropod central complex and vertebrate basal ganglia. Science 340, 157-161; Tanaka G, Hou K, Ma X, Edgecombe GD & Strausfeld NJ (2013) Chelicerate neural ground pattern in a Cambrian great appendage arthropod. Nature 502, 364-367; Putnam NH, Srivastava M et al. (2007) Sea anemone genome reveals ancestral eumetazoan gene repertoire and genomic organization. Science 316, 86-94.]


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Manche Fledermäuse sind Feinschmecker. Anstatt nach Beutetieren zu jagen, halten sie Ausschau nach der nächsten besonders geeigneten Blüte, um sich deren Nektar auf der Zunge zergehen zu lassen. Nektar ist ein zuckerhaltiger nahrhafter Saft, den viele Blüten als „Gegenleistung“ für die Bestäubung den Blütenbesuchern anbieten. Da sich der Nektar meist tief in den Blüten am Blütenboden oder in einem Sporn befindet, sind besondere Einrichtungen an der Zunge unumgänglich, um an den Nektar zu gelangen. Bis vor kurzem ging man davon aus, dass den Zacken an der Zungenspitze mancher Fledermäuse keine große Bedeutung zukommt. In vivo-Experimente bei der Fledermaus Glossophaga soricina (Abb. 1) präsentieren nun das verblüffende Gegenteil (Harper et al. 2013).

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Abb. 1: Langzungenfledermaus (Glossophaga soricina) an einer Bananenblüte. (© fokusnatur)

Nähert sich die Fledermaus einer Blüte, wird ihre Zunge durch vermehrten Blutzufluss in der Länge ausgedehnt. Dadurch gelingt es ihr, den Nektarvorrat der Blüte bis in den hintersten Winkel auszubeuten. Die Zunge kann dabei mehr als doppelt so lang werden. Die Spitze der Zunge ist zudem mit einem ganzen Büschel feiner Borstenhärchen besetzt und ähnelt dadurch einem Mop, den man vom Wischen von Böden kennt. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Arterien und Venen im Inneren der Zunge ein sich zur Spitze hin verästelndes Netz bilden, das sich bis in die Basis der Borsten hineinzieht. Die zuführenden Arterien sind zudem von Muskelfasern umgeben und stehen in direktem Kontakt zu den Zungennerven. Diese Konstruktion ermöglicht es, dass sich durch starke Blutzufuhr die Borsten mit Blut füllen und dadurch aufrichten. Zwischen den einzelnen Borsten bleibt der Nektar aufgrund seiner Oberflächenspannung hängen. Somit kann der Säuger deutlich mehr Nektar auf einmal in den Mund befördern. Acht Mal in der Sekunde, so die Forscher von der Brown University, zieht der Säuger seine Zunge in den Gaumen zurück und fährt sie wieder heraus – ein unglaublich schneller hydraulischer Prozess. Die hohe Geschwindigkeit erlaubt es den Fledermäusen, den hohen Energieverlust mehr als auszugleichen, der für den Standflug beim Blütenbesuch erforderlich ist. Dieses ausgeklügelte System könnte nach Ansicht der Wissenschaftler auch als Vorbild für technische Anwendungen dienen.

Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass Bienen mit langen Rüsseln ähnliche Strukturen an ihrer Rüsselspitze besitzen. Die Borsten richten sich gleich wie bei Glossophaga soricina während der Nektaraufnahme auf. Der Rüsselbeutler besitzt ebenfalls Borsten an der Zungenspitze. Es ist jedoch noch nicht klar, ob diese während des Fressvorgangs durch eine stärkere Durchblutung vergrößert werden. Auch Kolibris, Honigsauger und Honigfresser haben ausdehnbare Zungen mit Borstenhärchen. Hier bewirkt die röhrenförmige oder eingekerbte Struktur der Zunge einen Kapillareffekt und hilft den Nektar in den Mund zu befördern.

F. Hess

[Harper C, Swartz SM & Brainerd EL (2013) Specialized bat tongue is a hemodynamic nectar mop. Proc. Natl. Acad. Sci. 22, 8852-8857; http://www.mapoflife.org/topics/topic_404_Hummingbirds-sunbirds-and-honeyeaters/(7.11.2013)]


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Umziehen oder bleiben? Diese Frage stellt sich uns beispielsweise, wenn sich in der momentanen Wohnung schwerwiegende Mängel auftun. Je größer der Mangel (z. B. Schimmelbildung), desto dringlicher wird unsere Suche nach einer neuen Bleibe. Dieses Verhalten erscheint uns vernünftig, wer möchte schon längere Zeit in einer ungemütlichen Wohnung leben? Können aber Tiere ebenfalls solche vernünftigen Entscheidungen treffen? Offenbar ja. Ein Team von Biologen um Nigel Franks (University of Bristol, England) testete Schmalbrustameisen, um diese Frage zu beantworten. Schmalbrustameisen eignen sich, da sie kleine bis sehr kleine Kolonien bilden und auch in der Natur häufiger umziehen müssen. Eine komplette Kolonie mit höchstens 300 Arbeiterinnen hat beispielsweise in einer hohlen Eichel oder Walnuß Platz oder lebt in Rinden- oder Steinritzen. Diese Ameisen wurden nun in künstliche Nester mit fünf verschiedenen „Attraktivitätsgraden“ gesetzt. Unattraktiv sind zu flache, helle Nester mit einem weiten Eingang. Bevorzugt sind Dunkelheit, ein schmaler Eingang und eine genügende Deckenhöhe. Mittels Beobachtung wurde ermittelt, wie viele Ameisen sich in einer gewissen Zeit vom Nest entfernen, also wie häufig ein Kundschafter-Verhalten beobachtbar ist. Dabei ergab sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Nestqualität und Suchverhalten: Wie zu erwarten suchten die Ameisen bei schlechten Nestern häufiger. Trotz eines im Grunde sehr einfachen Versuchsaufbaus konnte so zum ersten Mal gezeigt werden, dass Ameisen kollektiv auf ihre Wohnsituation reagieren und offenkundig eine Kosten/Nutzen-Abwägung durchführen. Suchen verbraucht Zeit und Ressourcen und die jetzige Behausung ist ja vorhanden. Je schlechter aber die Wohnsituation ist, umso größer die Chance, eine bessere Nistmöglichkeit zu finden, welche die bei der Suche verbrauchten Ressourcen wenigstens zum Teil oder darüber hinaus wieder aufwiegt.

Die Ameisen sind also in der Lage, ihre jeweilige Wohnsituation einzuschätzen: Sie drückt sich in der Anzahl an suchenden Tieren aus. Dieses Verhalten zeigt außerdem die bemerkenswerte Fähigkeit der Ameisen, mit vorhandenen Ressourcen auch in unserem Sinne ökonomisch (d.h. Abwägung Kosten gegen Nutzen) umzugehen. Bei diesen häufig umziehenden Ameisenarten wäre es ja auch denkbar, dass sie beispielsweise in einem festgelegten Rhythmus einfach umziehen. Das könnte aber bedeuten, dass sie eine optimale Wohnmöglichkeit „ohne Not“ verlassen. Ein solches Verhalten wäre unökonomisch und tritt offenbar hier nicht auf.

N. Winkler

[Doran C, Pearce T, Connor A, Schlegel T, Franklin E, Sendova-Franks AB & Franks NR (2013) Economic investment by ant colonies in searches for better homes. Biol Lett 9: 20130685; vgl. http://www.wissenschaft.de/leben-umwelt/biologie/-/journal_content/56/12054/2260536.]


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Eine systematische Studie über die Fossilabfolgen verschiedener Organismengruppen zeigt – entgegen evolutionstheoretischen Erwartungen – einen klaren Trend: Das größte Ausmaß der Verschiedenartigkeit (s. Kasten) der untersuchten Gruppen wird frühzeitig erreicht und nimmt im Laufe der Fossilüberlieferung ab.

Mit Verschiedenartigkeit (disparity) wird die morphologische Variation, also die Unterschiedlichkeit von Bauplänen innerhalb einer größeren Formengruppe bezeichnet, im Gegensatz zur Vielfalt (diversity) innerhalb eines engen Verwandtschaftskreises. Beispielsweise würde man zehn Hunderassen als vielfältig bezeichnen, dagegen zehn sehr verschiedene Säugetierarten (etwa von Fledermaus bis Blauwal) als verschiedenartig.

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Abb. 1: Ausmaß der Verschiedenartigkeit im Laufe der erdgeschichtlichen Zeit am Beispiel der Stylonurina, einer der zwei Unterordnungen aus der Ordnung der Seeskorpione (Eurypterida). Sie gelten als die basalen (ursprünglichen) Eurypteriden. Große Verschiedenartigkeit ist früh etabliert und nimmt dann tendenziell ab. (Nach Hughes et al. 2013; kleines Bild: Megarachne servinei aus dem Oberkarbon, GNU Freie Dokumentations-Lizenz)

In Charles Darwins Hauptwerk On the origin of species ist eine einzige Abbildung abgedruckt: Ein Baum mit allmählich zunehmender Verzweigung und zunehmender Verschiedenartigkeit (zum Begriff siehe Kasten). Die aufgezweigten Formen werden also im Laufe der Zeit allmählich unterschiedlicher. Am Anfang sind die Unterschiede zwischen den aufgespaltenen Formen noch gering, doch mit der Zeit nimmt die Verschiedenartigkeit immer mehr zu. Diese Darstellung ist folgerichtig, wenn die Lebewesen durch graduelle Evolution entstanden sind. Die experimentelle Forschung der Evolutionsmechanismen unterstützt die Erwartung gradueller Veränderungen. Größere sprunghafte Änderungen (wie z. B. vier- statt zweiflügelige Taufliegen) kommen zwar auch vor, ihre Träger sind aber weniger konkurrenzfähig, falls sie überhaupt lebensfähig sind. Neuere Hypothesen, wonach selbst morphologische (die Gestalt, den Bau betreffende) Evolution sprunghaft durch Änderungen in der Verschaltung von (Regulations-)Genen ablaufen könne, sind weitgehend spekulativ, da nicht durch experimentelle Daten gedeckt.

Dementsprechend könnte man erwarten, dass die Fossilüberlieferung von Tier- und Pflanzengruppen einem sich allmählich verzweigenden Baum ähnelt. Doch wie die paläontologische Fachliteratur schon lange zeigt, trifft das nicht zu. Vielmehr scheinen die Stammbäume in gewisser Hinsicht auf dem Kopf zu stehen. Besonders ausgeprägt ist das bei der sogenannten „kambrischen Explosion“ der Fall (Valentine 2004, Erwin & Valentine 2013). Nun haben Hughes et al. (2013) diesen Befund durch eine umfangreiche Studie bestätigt.

Die Autoren führten eine Meta-Analyse von 98 Vielzellergruppen durch und ermittelten das Ausmaß an Verschiedenartigkeit der Gruppen im Laufe der Zeit. Sie stellten fest, dass eine früh etablierte große Verschiedenartigkeit das vorherrschende Muster während des gesamten Phanerozoikums (siehe Kasten) ist, d. h. seit Beginn der fossilen Vielzeller-Überlieferung (kambrische Explosion) bis zur Gegenwart. Dabei nimmt die Verschiedenartigkeit nach einem frühen Maximum im Laufe der Zeit wieder ab. Es sei auch kein Trend in den Verschiedenartigkeitsprofilen während dieser gesamten Zeitspanne erkennbar. Ausnahmen von diesem Befund gebe es nur bei Massenaussterbeereignissen sowie bei Formengruppen, die sich erst in jüngerer erdgeschichtlicher Zeit entfaltet haben und gegenwärtig noch existieren.

Dieser Befund steht den evolutionstheoretischen Erwartungen entgegen. Als Erklärung schlagen die Autoren vor, die schnell etablierte große Verschiedenartigkeit sei Folge der Evolution von Schlüsselneuheiten. Weniger wahrscheinlich seien dagegen Änderungen, die Umweltbedingungen als Ursache hatten, oder die durch katastrophische Umweltveränderungen eingetreten seien.

Das Phanerozoikum umfasst alle geologischen Systeme, die in nennenswertem Umfang Vielzeller-Fossilien bergen, das sind alle Systeme vom Kambrium bis heute. „Phanerozoikum“ bedeutet „das Leben erscheint“ (in fossil erhaltener Form). Mittlerweile sind auch im jüngeren Präkambrium eine Reihe von Vielzellergruppen entdeckt worden; diese zeigen im Großen und Ganzen jedoch wenige Ähnlichkeiten mit den Fossilien seit dem Kambrium.

Kommentar. Alle genannten Erklärungsversuche sind jedoch ungeeignet, da sie nur als Begleiterscheinungen und nicht als Ursachen gelten können. Mit dem Nachweis von Begleitumständen ist aber niemals eine kausale Begründung gegeben. Wenn z. B. das Auftreten evolutionärer Neuheiten mit großer Verschiedenartigkeit am Beginn der Entfaltung einhergeht, resultiert daraus keine Erklärung, woher diese Neuheiten kommen und wie sie entstanden sind. Vielmehr wird das Ausmaß an Verschiedenartigkeit gerade an der Zahl unterschiedlicher Baupläne gemessen, die in evolutionstheoretischer Perspektive natürlich mit dem Auftreten von Neuheiten korreliert. Darin eine Ursache für das Phänomen der schnell etablierten Verschiedenartigkeit zu sehen, wäre ein Zirkelschluss.

Dass die Verschiedenartigkeit im Laufe der Zeit tendenziell eher abnimmt, könnte – so die Autoren – mit wachsenden Entwicklungszwängen (developmental constraints) zusammenhängen. Das heißt, je mehr die verschiedenen Organe der Lebewesen im Laufe der Zeit miteinander in Wechselwirkung treten, desto weniger konnte das Gesamtgefüge geändert werden. Auch diese Vorstellung ist spekulativ, darüber hinaus wenig plausibel, denn evolutionstheoretisch gesehen müssten vielfach Konstruktionszwänge wieder aufgebrochen worden sein. Wie dies funktioniert und wie anschließend auf diese Weise immer wieder vergleichsweise schnell eine große Verschiedenartigkeit relativ frühzeitig in der (Fossil-)Geschichte von Organismengruppen etabliert wurde, ist unbekannt. Zudem ist unbekannt, wie komplexere Lebewesen mit deutlich geringeren Konstruktionszwängen existieren könnten.

R. Junker

[Erwin D & Valentine JW (2013) The Cambrian explosion. The construction of animal biodiversity. Greenwood Village, Colorado; Hughes M, Gerber S & Wills MA (2013) Clades reach highest morphological disparity early in their evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 13875-13879; Valentine JW (2004) On the origin of phyla. Chicago and London.]


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Die Hinweise mehren sich, dass in der DNA, in der das Genom (gesamtes Erbgut eines Individuums) niedergelegt ist, dem „universellen“ genetischen Code für die Biosynthese von Proteinen verschiedene weitere Codes überlagert sind. Jüngst wurden experimentelle Befunde veröffentlicht, die zeigen, dass die Bindung von bestimmten Proteinen (sog. Transkriptionsfaktoren) an die DNA davon beeinflusst wird, welche Nukleotide in den Codons (Abfolge von drei Nukleobasen [= Triplett], die eine Aminosäure codiert) verwendet werden.1 Ein und dieselbe DNA-Sequenz wird in diesen Fällen also auf mindestens zwei ganz verschiedene Weisen genutzt.

Nachdem Watson & Crick (1953) die Struktur der Doppelhelix für die DNA veröffentlicht hatten, wurde in den folgenden Jahren viel Forschung in die Entschlüsselung des genetischen Codes investiert. Das Schlüsselexperiment gelang Heinrich Matthaei im Labor von Marshall Nirenberg am 27. Mai 1961. Die vollständige Zuordnung der 64 Nukleotidtripletts zu den 20 Aminosäuren, die für Proteine als Baustein verwendet werden, gelang bis 1966 vor allem auch durch die Beiträge aus der Arbeitsgruppe von Khorana. Die vor allem in den letzten Jahren mit der Erforschung des menschlichen Genoms gesammelte Erfahrung, dass nur ein vergleichsweise kleiner Teil des Genoms für Proteine codiert, verstärkte die Fragen nach weiteren Funktionen des Genoms.

Inzwischen ist klar, dass manche Proteine spezifisch an DNA binden und dadurch die Verfügbarkeit der dort codierten Information regulieren. Auch die Wechselwirkung von DNA-Sequenzen mit verschiedenen RNA-Molekülen beeinflusst die Aktivität von Genen. Weateritt & Babu (2013) sind der Meinung, dass die Bindungen von Proteinen und RNA an bestimmte genomische DNA-Sequenzen als unabhängige zusätzliche Codes betrachtet werden können. Beispielsweise untersuchten Sterachis et al. (2013) die Bindung eines bestimmten Typs von Proteinen, sogenannten Transkriptionsfaktoren, an die DNA des menschlichen Genoms in 81 verschiedenen Zelltypen. Sie konnten zeigen, dass etwa 15% der Codons eines Gens (also den Basentripletts, die sonst für eine Aminosäure codieren) in rund 87% der menschlichen Gene auch in die Bindung mit Transkriptionsfaktoren einbezogen werden. Die Autoren bezeichnen diese Genbereiche als „Duone“ und bringen damit zum Ausdruck, dass sie Information auf zwei Weisen codieren: einmal „klassisch“ für Proteine und zusätzlich durch die Bindung der Transkriptionsfaktoren für Regulation der Gene.

Die Wechselwirkung eines Proteins mit einer DNA-Sequenz, die gleichzeitig ein Protein codiert, stellt besondere Anforderungen an die genutzten Codons und die dadurch festgelegten Aminosäuren. Sterachis et al. untersuchten die Auswirkung des Austausches einzelner Nukleotide in Duonen auf die Fähigkeit, Transkriptionsfaktoren zu binden. Zunächst stellten sie dazu die bekannten genetischen Varianten zusammen, die mit Krankheiten oder mit einer veränderten Funktion der Duonen in Zusammenhang gebracht werden. Mehr als 17% der Duonen, in denen einzelne Nukleotide ausgetauscht waren, zeigten eine veränderte Bindung der Transkriptionsfaktoren. Der Austausch von synonymen Codons, die also für dieselbe Aminosäure in den Proteinen codieren, führt zwar zum selben funktionsfähigen Protein, jedoch zu einer Veränderung der Bindung der Transkriptionsfaktoren. Dieser Befund deutet darauf hin, dass einige Änderungen in Duonen hauptsächlich ihre Transkriptionsfaktor-Bindung beeinflussen. Änderungen in der DNA-Sequenz können somit offensichtlich auch dann Krankheiten verursachen, wenn sie gar nicht zu Modifikationen in Proteinen führen. Der Austausch einzelner Nukleotide (single nucleotide polymorphism; snp) im Genom kann also auf vielfältige Weise einen Organismus beeinflussen; das gesamte Spektrum von regulatorischen Codes muss somit in Betracht gezogen werden.

Die Erkenntnis, dass im Genom verschiedene Codes enthalten sind und genutzt werden, eröffnet Einblicke in eine „Vieldimensionalität“ des Genoms. Diese erst ansatzweise verstandene Komplexität des Erbguts kann zum Staunen führen und eröffnet völlig neue Fragestellungen. Bisherige Vorstellungen zur Entstehung der im Genom abgespeicherten Information müssen neu überdacht werden, da die DNA-Sequenzen mit einer bisher ungeahnten Vielfalt an Codes abgelesen werden (s. z. B. auch Fellner et al. 2014).

H. Binder

[Fellner L, Bechtel N, Witting MA, Sion S, Schmitt-Kopplin P, Keim D, Scherer S & Neuhaus K (2014) Phenotype of htgA (mbiA), a recently evolved orphan gene Escherichia coli and Shigella, completely overlapping in antisense to yaaW. FEMS Microbiol. Lett. 350, 57-64; Tergachis AB, Haugen E, Shafer A, Fu W, Vernot B, Reynold A, Raubitschek A, Ziegler S, LeProusr EM, Akey JM & Stamatoyannopoulos JA (2013) Exonic transcription factor binding directs codon choice and affects protein evolution. Science 342, 1367-1372; Weatheritt RJ & Babu MM (2013) The hidden codes that shape protein evolution. Science 342, 1325-1326; Watson JD & Crick FHC (1953) Molecular structure of nucleic acids. Nature 171, 737-738.]

Anmerkung

1 Aufgrund der Degeneration des genetischen Codes werden dieselben Aminosäuren durch verschiedene Codons codiert. Die Bindung von Transkriptionsfaktoren an die DNA hat aber einen Einfluss auf die Wahl der verwendeten Codons für eine bestimmte Aminosäure.

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Honigbienen sind vermutlich die am besten wissenschaftlich untersuchten Insekten. Das liegt einerseits an ihrem ungeheuren Nutzen für uns Menschen als Honiglieferanten und als Bestäuber unserer Nutzpflanzen. Andererseits sind sie nicht nur als Einzeltiere, sondern auch als „Superorganismus“ faszinierende Studienobjekte. Doch selbst bei einem so intensiv untersuchten Lebewesen kommt es immer wieder zu neuen Entdeckungen. Eine der jüngsten wissenschaftlichen Überraschungen liefert das Navigationsvermögen der Bienen und der dazu verwendete optische Steuerungsmechanismus. Forscher aus Schweden (Emily Baird), Deutschland (Norbert Boeddeker) und Australien (Michael R. Ibbotson, Mandyam V. Srinivasan) konnten nachweisen, dass Bienen ihre Anfluggeschwindigkeit anhand optischer Eindrücke steuern (Baird et al. 2013). Bewegt man sich z.B. fliegend wie die Biene auf ein Objekt mit einem bestimmten Umfang zu, vergrößert sich der scheinbare Durchmesser des Objektes innerhalb des zur Verfügung stehenden Gesichtsfeldes (Bildfeld) dem Strahlensatz entsprechend. Die Geschwindigkeit der Objektgrößen­änderung innerhalb des Gesichtsfeldes korreliert mit der Variation der Annäherungsgeschwindigkeit. Beim gebremsten Anflug beispielsweise verlangsamt sich die Vergrößerung, bis bei Stillstand vor dem Objekt auch die Vergrößerung innerhalb des Gesichtsfeldes zum Stillstand kommt. Über diesen optischen Effekt der prozentualen Größenänderung eines Objektes innerhalb des Gesichtsfeldes steuern Bienen ganz offensichtlich die Geschwindigkeit ihres Anfluges z. B. an eine Blüte.

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Abb. 1: Über ein geniales Navigationsvermögen verfügen Bienen. (Foto: W. Borlinghaus)

Um herauszufinden, ob Bienen sich mit Hilfe dieses Effekts an Objekte annähern, benutzten die Forscher eine Spirale, mit der sie ein optisches Täuschungsmanöver durchführten. Dies bildete den Kern des erforderlichen Versuchsaufbaus, um das entscheidende Element der Bienennavigation überprüfen zu können. Eine sich Richtung Krümmungsmaximum drehende schwarze Spirale auf weißem Grund täuscht eine Annäherung an deren Zentrum vor, selbst wenn man den Abstand zur Spirale unverändert beibehält. Dreht sich die Spirale anders herum, ist der Effekt gegenläufig. Es entsteht dann der Eindruck, dass man sich vom Mittelpunkt der Spirale entfernt. In der Mitte sich drehender Spiralen wurde im Versuch attraktives Futter angeboten. Die anfliegenden Bienen konnten so nachweislich manipuliert bzw. eine größere oder geringere Anfluggeschwindigkeit vorgetäuscht werden. Entweder stoppten die Bienen daraufhin ihren Flug weit vor der vermeintlichen Futterquelle oder sie kollidierten kaum gebremst mit der Scheibe. Die Art der Abstandskontrolle bei der Navigation während des Landeanfluges war damit nachgewiesen.

Solche Beispiele animieren Forscher zur Nachahmung in der Technik. Flugzeuge und Helikopter nutzen bisher sehr aufwändige Systeme, um den Landeanflug zu steuern. Hierbei werden vor allem Geschwindigkeit und Zielentfernung permanent erfasst und in Beziehung zueinander gesetzt. Der Rechenaufwand ließe sich nach der genial einfachen Methode der Bienen (möglicherweise auch der anderer Insekten) minimieren, wenn man deren Vorgehensweise technisch präzise und sicher genug umsetzen könnte. Die Bienen-Methode hat nämlich den Vorteil, dass weder die exakte Geschwindigkeit noch die Entfernung bekannt sein muss, um einen korrekten Anflug inklusive Landung durchführen zu können. Das Beispiel zeigt, dass klug eingesetzte Vereinfachungen zur besseren Funktionalität eines hochkomplexen Organismus beitragen können. In diesem Fall wird eine extrem schnelle Datenverarbeitung im Bienengehirn ermöglicht. Eine solche „Vereinfachung“ kann sicher nicht als primitiv oder gar als Rückschritt gedeutet werden, wenn sie Bestandteil eines stimmigen Gesamtkonzepts ist.

W. Borlinghaus

[Baird E, Boeddeker N, Ibbotson MR & Srinivasan MV (2013) A universal strategy for visually guided landing. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 18686-18691.]


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Zahnräder sind bereits in einfacher Form seit der Antike bekannt. Damals wurden Holzstücke von außen in Radreifen aus Holz gesteckt. Sogenannte Göpel bildeten einfache Kraftübertragungs-Getriebe. Diese wurden z.B. im Mittelalter bei Mahlwerkzeugen angewandt und besaßen oft einen „Pferdeantrieb“. Leonardo da Vinci experimentierte im 15. Jhd. mit Zahnrädern und entwickelte entsprechende Getriebe, die seiner Zeit weit voraus waren. Zahnräder sind eine ideale Form der Kraftübertragung bei sich drehenden Wellen. Unterschiedliche Durchmesser ermöglichen bei komplexeren Getrieben unterschiedliche Drehzahlen. Zahnräder und deren Weiterentwicklungen finden sich in unzähligen Anwendungsbereichen. Besonders hochwertig sind mechanische Uhrwerke als Meisterwerke der Zahnradtechnik. Das Entscheidende beim Zahnrad ist die Kraftübertragung möglichst ohne Spiel. Dazu müssen die einzelnen Zähne eine spezielle abgerundete Form aufweisen, um den Kraftschluss permanent aufrecht zu erhalten. Die abgerundete Form verhindert außerdem, dass sich die ineinander greifenden Zähne verklemmen. Dadurch werden Abrieb und Materialermüdung minimiert.

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Abb. 1: Die Miniatur-Zahnräder der Käferzikaden-Larve Issus coleoptratus. Bildbreite ca. 0,5 mm! (© Burrows & Sutton, University of Cambridge, UK, Abdruck mit freundlicher Genehmigung.)

Die einfache Form der Zahnrad-Funktion, die Synchronisation von Bewegungen wurde 2013 bei der Käferzikaden-Larve Issus coleoptratus in Form zweier Zahnkränze nachgewiesen und damit ist diese Mechanik nachweislich keine Erst-Erfindung des Menschen. Der Deutsche Klaus Sander hatte zwar bereits in den 1950er Jahren zahnradähnliche Strukturen bei Zikaden-Larven entdeckt, doch wurde erst durch die Beobachtungen und Hochgeschwindigkeits-Zeitlupenaufnahmen von Malcolm Burrows von der University of Cambridge und Gregory Sutton von der University of Bristol die genaue Funktion sichtbar gemacht und nachgewiesen. Die „Zahnräder“ sitzen an den Innenschenkeln der Zikaden-Larve und synchronisieren beim Absprung die Bewegung der Beine. Erstaunlicherweise handelt es sich um nahezu perfekt abgerundete „moderne“ Zahnräder. Sowohl die Zahnenden als auch deren Basis weisen statisch optimierte Abrundungen auf. Unklar bleibt, wie sich ein solcher Mechanismus inklusive der für den Funktionserhalt notwendigen Optimierungen im Laufe einer Evolutionsgeschichte ergeben haben sollen. Unklar bleibt auch, warum nur Jungtiere diesen Mechanismus aufweisen. Es wird vermutet, dass bei adulten Exemplaren das Risiko für einen Totalausfall des Systems zu hoch wäre, wenn ein Zahn bricht. Sie koordinieren die Sprungbewegung über Nerven-Impulse. „Zahn“-Brüche könnten bei juvenilen Zikaden durch weitere Häutungen repariert werden, vermuten die Forscher. Nicht nur die Zahnräder sind ausgeklügelt konstruiert, sondern – wie es scheint – auch der Zeitraum ihrer Nutzung im Laufe der individuellen Entwicklung.

W. Borlinghaus

[Burrows M & Sutton G (2013) Interacting gears synchronize propulsive leg movements in a jumping insect. Science 341, 1254-1256.]


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Eichelwürmer aus dem Mittelkambrium ähneln heutigen Formen in erstaunlichem Maße. Nachdem kürzlich in der Antarktis erstmals Eichelwürmer entdeckt wurden, die Röhren bilden, ist die Ähnlichkeit mit den ebenfalls röhrenbildenden fossilen Formen perfekt. Die zwischenzeitlich diskutierte Vorstellung, die fossilen Eichelwürmer könnten Bindeglieder zu den Flügelkiemern (Pterobranchia) sein, ist damit nach Ansicht der Entdecker nicht haltbar.

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Abb. 1: Eichelwurm, Exemplar aus der Sammlung des Institutes für Zoologie, FU Berlin. (Foto: Necrophorus, GNU Freie Dokumentations-Lizenz)

Anfang des Jahres wurden schon länger fossil bekannte wurmartige Organismen aus dem mittelkambrischen Burgess-Schiefer eindeutig als Eichelwürmer identifiziert (Caron et al. 2013; Gee et al. 2013). Die betreffende Art wurde als Spartobranchus tenuis klassifiziert und gleicht heutigen Formen aus der Gruppe der Harrimaniiden bis in Details (vgl. Stud. Integr. J. 20, 118-119). Sie sind damit auch ein Beispiel für Stasis – das nahezu unveränderte „Stehenbleiben“ eines Bauplans über geologische Zeiträume hinweg. Der Nachweis von Eichelwürmern im Kambrium vergrößert die ohnehin immense Vielfalt der während der kambrischen Explosion auftretenden Formen noch weiter.

Die Eichelwürmer (Enteropneusta) werden zusammen mit den Flügelkiemern (Pterobranchia) zu den Hemichordaten gestellt. Die Arten dieser auch als Kiemenlochtiere benannten Gruppe besitzen einen weichen, wurmähnlichen, aber innen ungegliederten Körper und sind äußerlich in Kopfschild, Kragen und Rumpf dreigeteilt. Die bis zu 10 cm langen Eichelwürmer leben am Meeresboden und graben Gänge. Sie bewegen sich im Meeresboden durch wellenförmige Muskelkontraktionen vorwärts und leben von im Schlamm enthaltenen organischen Partikeln mit Hilfe eines Nahrungstrichters am Vorderende. Da auch die Pterobranchia aus dem Kambrium bekannt sind, ist klar, dass der Ursprung der Hemichordaten entsprechend ins Unterkambrium verlegt werden muss (Caron et al. 2013, 503). Einen Unterschied schien es jedoch bei den fossilen Formen im Vergleich zu den heutigen zu geben. Bei den Fossilien wurden häufig faserige Röhren gefunden; in einem Fall war ein Eichelwurm mit dieser Röhre assoziiert. Daher wurde angenommen, dass die kambrischen Eichelwürmer anders als die heutigen zeitweise in Röhren lebten. Dieser Befund wurde von S. Conway Morris, einem der Bearbeiter so interpretiert, dass es sich hier um einen Hinweis handle, dass die fossilen Eichelwürmer Übergangsformen zu den Pterobranchia seien (http://www.bbc.co.uk/nature/21745029), die generell solche Röhren bilden. Es wurde allerdings auch diskutiert, dass die Eichelwürmer ursprünglich ebenso wie die Pterobranchia solche Röhren ausgebildet haben könnten, diese später aber verloren haben (Caron et al. 2013, 505).

Die letztere Deutung erhielt jüngst Unterstützung. Denn es wurden heute lebende Eichelwürmer in der Tiefsee der Antarktis entdeckt, die ebenfalls Röhren ausbilden und in eine neue Eichelwürmer-Familie, Torquaratoridae, gestellt werden (Halanych et al. 2013). Die Autoren nehmen in ihrem Artikel Bezug auf die mittelkambrischen Eichelwürmer, die ebenfalls Röhren bilden, und stellen die enorme Ähnlichkeit der kambrischen mit den heutigen Formen heraus. Der faserige Bau der fossilen Röhren konnte durch den Vergleich mit den heutigen Formen als Erhaltungsartefakt erklärt werden. Denn einige Röhren waren mit Sediment bedeckt, was ihnen ein geripptes Aussehen verleiht, das der fossilen Erhaltung ähnlich ist. Die Autoren schließen aus dem ähnlichen Röhren-Design zwischen S. tenuis und den antarktischen Torquaratoridae auf ähnliche Verhaltensweisen, die sich demnach über einen Zeitraum von etwa 500 Millionen Jahren erhalten hätten.

Damit sei die Vorstellung, dass S. tenuis ein Bindeglied zwischen den Eichelwürmern und Pterobranchiern sei, unglaubwürdig geworden. Die Autoren schreiben: „Da die Trennung zwischen Eichelwürmern und Pterobranchiern vor dem Mittelkambrium erfolgt sein muss, ist die Röhre von S. tenuis kein Vorläufer des Coeneciums [Röhren] der Pterobranchier“ (Halanych et al. 2013). Es sei anzunehmen, dass bereits der gemeinsame Vorfahre Röhren gebildet habe. Fossile Spuren dieses hypothetischen Vorfahren sind nicht bekannt.

R. Junker

[Caron JB, Conway Morris S & Cameron CB (2013) Tubicolous enteropneusts from the Cambrian period. Nature 495, 503-506; Gee H (2013) Tubular worms from the Burgess Shale, Nature 495, 458-459; Halanych KM, Cannon JT, Mahon AR, Swalla BJ & Smith CR (2013) Modern Antarctic acorn worms form tubes. Nature Communications 4, No. 2738, doi: 10.1038/ncomms3738.]


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Bisher dachten Wissenschaftler, dass ein Aufstieg von Magma aus dem Erdmantel Tausende Jahre oder mehr benötige. Doch Vulkanologen haben kürzlich an Costa Ricas höchstem Stratovulkan Irazú (Abb. 1) nachweisen können, dass dort die Zeitspanne des Aufstiegs nicht größer war als die Eruptionsphase selbst. „Das Magma, das die Eruption von 1963 auslöste, war wahrscheinlich direkt aus dem Erdmantel aufgestiegen – und zwar sehr schnell: Es überwand die 35 Kilometer innerhalb von Monaten und löste dann in der Magmakammer den Ausbruch aus. Das ist ein wirklich überraschendes Ergebnis unserer Untersuchung“ (DLF).

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Abb. 1: Krater des Irazú („Grollender Berg“, 3432 m), Costa Rica. Ein Teil der eruptierten Magma der Ausbruchsphase von 1963-65 stammte aus dem Erdmantel in etwa 35 km Tiefe und benötigte lediglich einige Monate bis zur Oberfläche (Foto: Rafael Golan, Wikimedia Commons).

Die neuen Erkenntnisse basieren auf geochemischen Untersuchungen an Olivinkristallen, die die Autoren der Studie, Ruprecht & Plank (2013), aus in 2010 gesammelten Aschen der Irazú-Eruption extrahiert hatten. Die Columbia Universität erklärte hierzu (in Übersetzung): „Da sich das aus dem Mantel stammende, aufsteigende Magma abkühlt, bilden sich Kristalle, die ihre eigenen Bildungsbedingungen konservieren. Die Kristalle von Irazú zeigten – vollkommen unerwartet – Ausschläge von Nickel, einem Spurenelement, das im Mantel anzutreffen ist. Die Ausschläge erzählten den Wissenschaftlern, dass ein Teil der eruptierten Magma des Irazú so frisch war, dass das Nickel keine Chance zum Diffundieren hatte.“

Ruprecht & Plank stützten sich auf bereits bekannte experimentelle Studien zur Nickel-Diffusion in Olivin ((Mg,Mn,Fe)2[SiO4]). Unter der Annahme einer magnesiumreichen Olivinkristallisation und einer Vermischung einer primären Mantelschmelze nahe des Grenzbereiches von Erdkruste und Erdmantel (9 kbar Tiefe, etwa 30 km tief) sowie einer Nickel-Diffusions-Zeitskala in der Größenordnung eines Jahres kalkulieren sie für das Mantelmagma eine durchschnittliche Transportrate in der Kruste von 80 m pro Tag. Adiabatische (quasi ohne Temperaturverlust) Bedingungen dagegen, in einem (nur) 2 m breiten und 25 km langen Gang würden sogar Transportraten von über 1000 m pro Tag erfordern. Die Autoren schließen u. a., dass eine direkte Verbindung zwischen dem Mantel und einer flachliegenden Magmenkammer (Eruptionskammer) vorgelegen haben muss. Die Magmenbahn beschreiben sie als „high-speed connection“, die Transportraten als „dramatisch schnell“ (Ruprecht im DLF).

Überraschend ist auch, dass dieser Mechanismus erst jetzt erkannt worden ist. Anscheinend ist eine alte Vorstellung der Magmenentstehung und -differenzierung sowie des Magmentransports lange prägend gewesen. Ruprecht (im DLF) zum Mechanismus: „Es ist einfach übersehen worden. Zwar wird nicht jeder Ausbruch eines Vulkans über einer Subduktionszone durch direkt aus dem Erdmantel aufsteigendes Magma ausgelöst. Aber wir finden diese Signaturen auch anderswo.“

M. Kotulla

[Columbia Universität (CU), Pressemitteilung vom 31. Juli 2013, http://www.ldeo.columbia.edu/news-events/highway-hell-fueled-costa-rican-volcano. – Deutschlandfunk (DLF), Beitrag vom 1. August 2013, Highway from Hell von Dagmar Röhrlich, http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/2200114/. – Ruprecht P & Plank T (2013) Feeding andesitic eruptions with a high-speed connection from mantle. Nature 500, 68-72.]


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Abb. 1: Shatsky-Rise im nordwestlichen Pazifik, bathymetrische und tektonische Karte. Das Tami-Massiv ist ein gigantischer Schildvulkan und hat etwa eine flächenmäßige Ausdehnung wie Olympus Mons auf dem Mars (Struktur rechts unten). Rote/weiße Punkte zeigen die Bohrlokalitäten, rote Linien magnetische Lineationen und Frakturzonen. (Grafik: W. Sager; freundliche Überlassung).

Seit über 20 Jahren studiert William W. Sager das untermeerische Shatsky-Rise-Plateau im nordwestlichen Pazifik. Nach Auswertung der jüngsten in 2009 durchgeführten Bohrkampagne des Integrated Ocean Drilling Program (IODP) und zusätzlich gewonnener seismischer Daten in 2010/2012 sind sich Sager et al. (2013) nun ziemlich sicher: Das größte Plateau des Shatzky-Rise, das Tamu-Massiv, ist ein einziger gigantischer Schildvulkan, der es – bezogen auf die Flächenausdehnung – mit dem bislang größten bekannten Vulkan des Sonnensystems, dem Olympus Mons auf dem Mars, durchaus aufnehmen kann (Abb. 1).

Die über ein Areal von etwa 450 x 650 km ausgebreitete, schildartige Struktur hebt sich 3-4 km vom umliegenden Meeresboden ab (Abb. 2) und unterscheidet sind deutlich von anderen vulkanischen Komplexen wie Island oder Hawaii, die kleiner und aus mehreren, auch größeren Vulkanen aufgebaut sind. Die mit Anwendung der Seismik entschlüsselte Geometrie zeigt ein Zentrum und allseitig zum Rand hin abfallende linienhafte Konturen; die berechneten (interpretierten) Neigungen betragen an den Flanken etwa 1-1,5° und an der Basis <0,2-0,5°. Gewonnene Bohrkerne aus den obersten etwa 50-175 m des Schildvulkans lassen bis zu 23 m mächtige („dicke“) Einheiten erkennen. Demnach ist anzunehmen, dass die basaltischen Laven von dem zentralen Ausfluss aus in mächtigen Ergüssen („massive sheet flows“), ähnlich den Flutbasalten, Hundert und mehr Kilometer zurückgelegt haben.

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Abb. 2: Topographie des Tamu-Massivs, 3D, stark überhöht. Die Struktur hebt sich 3-4 km vom umliegenden Meeresboden ab. (Grafik: W. Sager; freundliche Überlassung)

Geologisch zeitlich soll die vulkanische Aktivität etwa 12 Millionen [radiometrische] Jahre angedauert und an der Wende Jura/Kreide geendet haben. Das radiometrische Alter wurde an Basalten am Top der Struktur mit 144,6 ± 0,8 Millionen [radiometrische] Jahre bestimmt (Site 1213 siehe Abb. 1, Expedition in 2001). Aufliegende Sedimente sind biostratigraphisch dem Berriasium (unterste Stufe der Kreide, Lokalität U1347, Abb. 1) und dem Aptium (höhere Unterkreide, Lokalität U1348) zugeordnet worden (Expedition 324 Scientists 2010). Demzufolge besteht zwischen den beiden Lokalitäten eine Sedimentationslücke von mindestens 15 Millionen [radiometrischen] Jahren. Während der aktiven Phase muss der Zentralbereich des Schildvulkans auf oder über Meereshöhe gelegen haben. Denn überlagernde und zwischengeschalte Sedimente am Top weisen auf Flachwasserbedingungen hin und nur ein Teil der Ergussgesteine ist als Kissen-Lava (subaquatische Entstehung) ausgebildet. Heute liegt die Oberfläche des Schildvulkans nach einer gewaltigen Absenkung 3000 m und mehr unter dem Meeresspiegel, an beiden U-Lokalitäten von etwa (nur) 200 m mächtigen Sedimentfolgen bedeckt.

Aber wie – und wodurch ausgelöst – Magma dieser Größenordnung und (anscheinend auch) geochemischen Konsistenz ihre „Inplatznahme“ in der Lithosphäre fand, ist ungeklärt. Gleich welches Konzept oder welches Modell – Plumes (Mantel-Aufströmungen), Plattentektonik oder Metoritenimpakt – herangezogen wird, es muss die Datenlage erklären können (Sager et al. 2013, in Übersetzung): „Die Daten von Shatsky-Rise und anderen ozeanischen Plateaus zeigen, dass in vielleicht kurzen Zeitperioden große Materialmengen vom Mantel in die Lithosphäre aufgestiegen sind, die große vulkanische Gebilde aufgebaut haben.“ Zeit scheint bei der Theorienbildung ein wesentlicher Faktor zu sein. Dass (geologisch) kurze Zeitperioden in Betracht gezogen werden, ist ein neuer und sich noch in Entwicklung befindender Deutungsrahmen (vgl. auch das vorige Streiflicht).

M. Kotulla

[Expedition 324 Scientists (2010) Expedition 324 Summary. In: Sager WW, Sano T, Geldmacher J & the Expedition 324 Scientists. Proc. IODP 324, 1-69; Sager WW, Zhang J, Korenaga J, Sano T, Koppers AAP, Widdowson M & Mahoney JJ (2013) An immense shield volcano within the Shatsky Rise oceanic plateau, northwest Pacific Ocean. Nature Geoscience 6, 976-981.]


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Letzte Änderung: 12.05.2016
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