Bach ist nicht gleich Bach: Studie enthüllt überraschend lokale Anpassung

Ein Forschungsteam der Universität Bern zeigt mit einem gross angelegten Freilandexperiment, dass Populationen derselben Fischart viel spezifischer an ihre Umgebung angepasst sind als bisher angenommen.

Dadurch wird deutlich: Was wie nahezu identische Lebensräume aussieht, kann für die Evolution einen entscheidenden Unterschied machen. Diese verborgene Vielfalt ist nicht nur grundlegend für das Verständnis der Entstehung von Biodiversität, sondern auch für wirksame Naturschutzmassnahmen.

Fische „nutzen“ evolutionären Heimvorteil

Seit Charles Darwin gilt die natürliche Selektion als treibende Kraft der Evolution. Genetisch vererbbare Merkmale, die einem Lebewesen in seiner jeweiligen Umwelt einen Vorteil verschaffen, setzen sich über Generationen hinweg durch. Dadurch werden Populationen an ihre Umwelt angepasst und können sich im Lauf der Zeit immer stärker voneinander unterscheiden – bis hin zur Entstehung neuer Arten. Wiederkehrende Muster in der Natur, etwa das Auftreten ähnlicher Körperformen in ähnlichen Lebensräumen, gelten daher oft als Hinweis darauf, dass sie durch natürliche Selektion entstanden sind. Das heißt: Individuen mit bestimmten Eigenschaften hatten in dieser Umgebung Vorteile und konnten sich besser fortpflanzen. Um aber zu zeigen, dass eine Population tatsächlich an ihre Umwelt angepasst ist, muss belegt werden, dass Individuen in ihrem eigenen Lebensraum erfolgreicher sind als fremde.

Hier setzt nun eine neue Studie unter der Leitung von Dr. Marius Rösti vom Institut für Ökologie und Evolution der Universität Bern an. Das Forschungsteam führte ein neuartiges Freilandexperiment durch, mit dem sich evolutionäre Anpassung nicht nur direkt nachweisen, sondern auch ihre lokale Feinabstimmung erfassen lässt. Als Modellorganismus diente der Dreistachlige Stichling (Gasterosteus aculeatus). Diese Fischart besiedelt auf der gesamten Nordhalbkugel unterschiedlichste Gewässer, von großen Seen bis zu kleinen Bächen. Und sie weist in ähnlichen Lebensräumen ähnliche Anpassungsmuster auf. Die Forschenden zeigen nun, dass Populationen des Stichlings nicht nur grob an die unterschiedlichen Lebensräume „See“ und „Bach“ angepasst sind, sondern viel feiner und nuancierter an ihre lokale Umwelt. Diese Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Entstehung von Biodiversität und haben wichtige Konsequenzen für deren Schutz. Die Studie ist in „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“ erschienen.

Groß angelegtes Freilandexperiment kommt der Evolution auf die Spur

Für die Studie züchtete das Forschungsteam Stichlinge aus dem Bodensee sowie aus vier Bächen der umliegenden Region in der Schweiz, Liechtenstein und Deutschland. Die Fische wurden über zwei Generationen unter identischen Laborbedingungen an der Universität Bern aufgezogen. Somit hatten sie nie Kontakt mit dem natürlichen Lebensraum ihrer Vorfahren. Anschließend setzten die Forschenden mehr als 700 Tiere in Gehegen an drei natürlichen Versuchsstandorten aus. Einer war der Bodensee, die anderen zwei waren zuvor beprobte Bäche im Kanton Thurgau und in Liechtenstein. So konnten sie vergleichen, wie erfolgreich Individuen jeder Population in den verschiedenen natürlichen Lebensräumen überleben und wachsen.

Jeder Bach ist einzigartig – und so auch seine Fische

Wie frühere Studien aufgrund unterschiedlicher Anpassungsmuster erwarten liessen, schnitten Seefische im Bodensee besser ab als Bachfische. Dafür waren Bachfische in den Bächen erfolgreicher – ein klarer Hinweis auf Anpassung an die unterschiedlichen Lebensräume „See“ und „Bach“. Überraschend war jedoch, dass ein Grossteil der Anpassung weit über diesen groben Unterschied hinausging. Der neuartige Studienansatz machte eine viel kleinskaligere Anpassung sichtbar. An beiden Bachstandorten waren jene Fische deutlich erfolgreicher, die aus genau diesem Bach stammten. Damit übertrafen lokale Bachfische nicht nur Seefische, sondern insbesondere auch Fische aus anderen, teils nur wenige Kilometer entfernten Bächen.

„Da sämtliche Fische zuvor während zweier Generationen unter denselben Laborbedingungen gezüchtet worden waren, können individuelle Erfahrungen oder Umweltbedingungen während ihres Lebens als Ursache ausgeschlossen werden. Die Unterschiede müssen genetisch verankert und damit erblich sein – sie spiegeln die Wirkung natürlicher Selektion über viele Generationen wider“, sagt Marius Rösti. „Für uns sehen zwei kleine Bäche oft nahezu gleich aus. Für die Fische stellen sie jedoch völlig unterschiedliche Welten dar. Ein Bach ist eben nicht einfach ein Bach.“

Populationen sind nicht beliebig austauschbar

Die Studie zeigt, dass Biodiversität weit über die Vielfalt verschiedener Arten hinausgeht. Rösti sagt: „Auch Populationen derselben Art können evolutionär erstaunlich einzigartig sein, selbst wenn sie in Lebensräumen vorkommen, die uns sehr ähnlich erscheinen.“ Lokale Populationen bewahren genetische Anpassungen, die über viele Generationen durch natürliche Selektion begünstigt wurden und damit einen wichtigen Teil der biologischen Vielfalt ausmachen.

„Wir denken bei der Biodiversität oft an die Vielfalt von Arten“, so Rösti. „Unsere Studie zeigt nun aber, dass auch evolutionäre Unterschiede innerhalb einer Art ein wichtiger Teil der biologischen Vielfalt ausmachen.“

Die Ergebnisse haben damit unmittelbare Konsequenzen für den Naturschutz. „Populationen sind nicht beliebig austauschbar. Werden Tiere oder Pflanzen derselben Art in vermeintlich ähnliche Lebensräume umgesiedelt, sind sie darin möglicherweise evolutionär nur sehr bedingt angepasst. Lokale Anpassung sollte deshalb bei Schutzmassnahmen und insbesondere bei Wiederansiedlungs- und Umsiedlungsprojekten stärker berücksichtigt werden“, erklärt Rösti.

Wie Experimente verborgene Anpassungen sichtbar machen

In der heutigen Biologie werden viele Erkenntnisse durch Mustererkennung in großen Datensätzen, mithilfe abstrakter Computermodelle und komplexer statistischer Analysen gewonnen, die zunehmend durch Künstliche Intelligenz unterstützt werden. „Solche modernen Ansätze können zwar wichtige Zusammenhänge sichtbar machen. Ob eine wissenschaftliche Erklärung tatsächlich zutrifft, lässt sich jedoch letztlich nur experimentell überprüfen“, sagt Rösti.

Besonders aussagekräftig sind dabei Experimente unter realen Bedingungen. Die Berner Studie liefert dafür ein gutes Beispiel. Sie zeigt, wie bisher verborgene lokale Anpassung durch Feldexperimente direkt sichtbar gemacht werden kann. In einer rasant technisierten Wissenschaft seien solche „Realitätstests“ besonders wichtig, betont Rösti. Gerade in der Feldforschung bleibt auch der Mensch unverzichtbar: „Wir müssen hier nicht nur unseren Kopf anstrengen, sondern uns auch draussen in der Natur praktisch zu helfen wissen. Diesen vielfältigen Anforderungen von Feldexperimenten kann bis heute nur der Mensch gerecht werden.“ Indem der neue Studienansatz der Berner Forschenden künftig auf andere Organismen übertragen wird, lässt sich überprüfen, wie allgemeingültig die gewonnenen Erkenntnisse sind. „Es gibt also noch viel zu tun“, sagt Rösti abschließend.