Wissenschaftler sagen die Evolution in einem 30-jährigen Meeresschneckenexperiment voraus – und werden Zeuge davon

Vor den Augen der Wissenschaftler entwickelten sich Schnecken auf einer winzigen Felsinsel. Die Meeresschnecken wurden wieder angesiedelt, nachdem eine giftige Algenblüte sie aus der Schäre ausgerottet hatte. Während die Forscher absichtlich eine eigene Population derselben Schneckenart einführten, entwickelten sich diese so, dass sie der über 30 Jahre zuvor verlorenen Population auffallend ähnelten.

Die von Forschern des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und der norwegischen Nord University geleitete Studie ist veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte.

Wir schreiben das Jahr 1988. Der Koster-Archipel, eine Inselgruppe vor der schwedischen Westküste nahe der Grenze zu Norwegen, wird von einer besonders dichten Blüte giftiger Algen heimgesucht, die Meeresschneckenpopulationen auslöscht. Aber warum sollte sich irgendjemand um das Schicksal eines Schneckenhaufens auf einem drei Quadratmeter großen Felsen im offenen Meer kümmern? Wie sich herausstellt, würde dieses Ereignis die Möglichkeit eröffnen, die Entwicklung der Evolution vor unseren Augen vorherzusagen und zu beobachten.

Zuvor waren die Inseln und ihre kleinen Gezeitenschären – felsige Inselchen – die Heimat dichter und vielfältiger Populationen von Meeresschnecken der Art Littorina saxatilis. Während sich die Schneckenpopulationen auf den größeren Inseln – von denen einige auf weniger als 1 % reduziert wurden – innerhalb von zwei bis vier Jahren erholten, konnten sich einige Schären nicht von diesem harten Schlag erholen.

Die Meeresökologin Kerstin Johannesson von der Universität Göteborg, Schweden, sah eine einzigartige Chance. 1992 führte sie L. saxatilis-Schnecken wieder in ihrem verlorenen Schärenlebensraum ein und startete damit ein Experiment, das mehr als 30 Jahre später weitreichende Auswirkungen haben sollte.

Es ermöglichte einer internationalen Zusammenarbeit unter der Leitung von Forschern des Institute of Science and Technology Austria (ISTA), der Nord University (Norwegen), der Universität Göteborg (Schweden) und der University of Sheffield (Großbritannien), die Entwicklung im Entstehen vorherzusagen und zu beobachten.

Wellenschnecken und Krebsschnecken

L. saxatilis ist eine weit verbreitete Meeresschneckenart, die an den Küsten des Nordatlantiks vorkommt, wo verschiedene Populationen an ihre Umgebung angepasste Merkmale entwickelt haben. Zu diesen Merkmalen gehören Größe, Panzerform, Panzerfarbe und Verhalten.

Besonders auffällig sind die Unterschiede zwischen diesen Merkmalen zwischen dem sogenannten Crab- und Wave-Ökotyp. Diese Schnecken haben sich wiederholt an verschiedenen Orten entwickelt, entweder in Umgebungen, die dem Raub von Krabben ausgesetzt waren, oder auf Felsen, die den Wellen weit entfernt von Krabben ausgesetzt waren.

Wellenschnecken sind typischerweise klein und haben ein dünnes Gehäuse mit bestimmten Farben und Mustern, eine große und abgerundete Öffnung und ein auffälliges Verhalten. Krabbenschnecken hingegen sind auffallend größer, haben dickere Gehäuse ohne Muster und eine kleinere und länglichere Öffnung. Krabbenschnecken verhalten sich in ihrer von Raubtieren dominierten Umgebung auch vorsichtiger.

Der schwedische Koster-Archipel ist die Heimat dieser beiden verschiedenen L. saxatilis-Schneckenarten, die oft nebeneinander auf derselben Insel liegen oder nur wenige hundert Meter über das Meer voneinander entfernt sind. Vor der giftigen Algenblüte im Jahr 1988 lebten Wellenschnecken in den Schären, während an den nahegelegenen Ufern sowohl Krabben- als auch Wellenschnecken lebten. Diese räumliche Nähe würde sich als entscheidend erweisen.

Alte Eigenschaften wiederentdecken

Als Johannesson feststellte, dass die Wellenschneckenpopulation der Schären aufgrund der giftigen Algen vollständig ausgerottet war, beschloss er 1992, in einem dieser Schären wieder Schnecken anzusiedeln, allerdings vom Krabben-Ökotyp. Mit ein bis zwei Generationen pro Jahr erwartete sie zu Recht, dass sich die Krabbenschnecken vor den Augen der Wissenschaftler an ihre neue Umgebung anpassen würden.

„Unsere Kollegen sahen bereits im ersten Jahrzehnt des Experiments Hinweise auf die Anpassung der Schnecken“, sagt Diego Garcia Castillo, ein Doktorand der Barton Group am ISTA und einer der Autoren, die die Studie leiteten.

„Im Laufe des 30-jährigen Experiments konnten wir zuverlässig vorhersagen, wie die Schnecken aussehen werden und welche genetischen Regionen daran beteiligt sein werden. Die Transformation verlief sowohl schnell als auch dramatisch“, fügt er hinzu.

Allerdings haben die Schnecken diese Eigenschaften nicht völlig von Grund auf entwickelt. Die Mitautorin Anja Marie Westram, ehemalige Postdoktorandin am ISTA und derzeit Forscherin an der Nord University, erklärt: „Ein Teil der genetischen Vielfalt war bereits in der anfänglichen Krabbenpopulation vorhanden, allerdings in geringer Prävalenz. Dies liegt daran, dass die Art ähnliche Erfahrungen gemacht hatte.“ Der Zugang der Schnecken zu einem großen Genpool trieb diese rasante Entwicklung voran.

Vielfalt ist der Schlüssel zur Anpassung

Das Team untersuchte im Laufe der Jahre des Experiments drei Aspekte: den Phänotyp der Schnecken, individuelle Genvariabilitäten und größere genetische Veränderungen, die ganze Regionen der Chromosomen betreffen, sogenannte „Chromosomeninversionen“.

In den ersten Generationen beobachteten die Forscher ein interessantes Phänomen namens „phänotypische Plastizität“. Schon bald nach der Transplantation veränderten die Schnecken ihre Form, um sich an ihre neue Umgebung anzupassen. Aber auch die Population begann sich schnell genetisch zu verändern. Die Forscher konnten das Ausmaß und die Richtung der genetischen Veränderungen, insbesondere der Chromosomeninversionen, vorhersagen.

Sie zeigten, dass die schnelle und dramatische Veränderung der Schnecken möglicherweise auf zwei komplementäre Prozesse zurückzuführen ist. Eine schnelle Auswahl von Merkmalen, die in der transplantierten Krebsschneckenpopulation bereits in geringer Häufigkeit vorhanden sind, und ein Genfluss von benachbarten Wellenschnecken, die einfach über 160 Meter hätten flößen können, um die Schäre zu erreichen.

Evolution angesichts von Umweltverschmutzung und Klimawandel

Theoretisch wissen Wissenschaftler, dass sich eine Art mit ausreichend großer genetischer Variation schneller an Veränderungen anpassen kann. Allerdings zielten nur wenige Studien darauf ab, mit der Evolution im Laufe der Zeit in freier Wildbahn zu experimentieren.

„Diese Arbeit ermöglicht es uns, die wiederholte Evolution genauer zu betrachten und vorherzusagen, wie eine Population Merkmale entwickeln könnte, die sich in der Vergangenheit unter ähnlichen Bedingungen separat entwickelt haben“, sagt Garcia Castillo.

Das Team möchte nun herausfinden, wie sich Arten an moderne Umweltherausforderungen wie Umweltverschmutzung und Klimawandel anpassen können.

„Nicht alle Arten haben Zugang zu großen Genpools und die Entwicklung neuer Merkmale von Grund auf ist ermüdend langsam. Die Anpassung ist sehr komplex und unser Planet steht auch vor komplexen Veränderungen mit Episoden von Wetterextremen, schnell fortschreitendem Klimawandel, Umweltverschmutzung und neuen Parasiten.“ sagt Westram. Sie hofft, dass diese Arbeit weitere Forschungen zur Erhaltung von Arten mit großen und vielfältigen genetischen Ausstattungen vorantreiben wird.

„Vielleicht hilft diese Forschung dabei, Menschen davon zu überzeugen, eine Reihe natürlicher Lebensräume zu schützen, damit Arten ihre genetische Vielfalt nicht verlieren“, schließt Westram.

Mittlerweile haben die Schnecken, die Johannesson 1992 in die Schäre brachte, eine blühende Population von rund 1.000 Individuen erreicht.