Die Antarktis mag wie ein trostloser Ort erscheinen, aber sie ist die Heimat einiger der einzigartigsten Lebensformen auf dem Planeten. Trotz der Tatsache, dass die Landtemperaturen im Durchschnitt um -60 °C liegen und die Meerestemperaturen nahe dem Gefrierpunkt von Salzwasser (-1,9 °C) liegen, gedeihen eine Reihe von Arten in diesem kalten Lebensraum.
Antarktische Eisfische (Cryonotothenioidea) sind ein Paradebeispiel, das bemerkenswerte Anpassungen aufweist, die es ihnen ermöglichen, in den eisigen Gewässern rund um den Kontinent zu überleben. Diese Fische haben zum Beispiel spezielle „Frostschutz“-Glykoproteine entwickelt, die die Eisbildung in ihren Zellen verhindern. Einige Eisfische sind „weißblütig“, weil sie kein Hämoglobin mehr produzieren, und einige haben die induzierbare Hitzeschockreaktion verloren, eine nahezu universelle molekulare Reaktion auf hohe Temperaturen.
Zu diesem Repertoire an Änderungen fügt eine aktuelle Studie hinzu, die in veröffentlicht wurde Molekularbiologie und Evolution enthüllt die genetischen Mechanismen, durch die sich das visuelle System antarktischer Eisfische sowohl an die extreme Kälte als auch an die einzigartigen Lichtverhältnisse unter antarktischem Meereis angepasst hat.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Gianni Castiglione (jetzt an der Vanderbilt University) und Belinda Chang (University of Toronto) machte sich daran, die Auswirkungen von Minusgraden auf die Funktion und Entwicklung des visuellen Systems der antarktischen Eisfische zu untersuchen. Die Autoren konzentrierten sich auf Rhodopsin, ein temperaturempfindliches Protein, das am Sehen bei schwachem Licht beteiligt ist.
Wie von Castiglione angemerkt, wurde durch ihre frühere Forschung eine Schlüsselrolle für Rhodopsin bei der Kälteanpassung nahegelegt. „Wir hatten zuvor Kälteanpassung in den Rhodopsinen von Hochgebirgswelsen aus den Anden gefunden, und dies spornte uns an, die Kälteanpassung in Rhodopsinen von antarktischen Eisfischen zu untersuchen.“
Tatsächlich beobachteten die Autoren Hinweise auf eine positive Selektion und beschleunigte Evolutionsraten bei Rhodopsinen unter antarktischen Eisfischen. Castiglione und Co-Autoren untersuchten die spezifischen Stellen, die als Kandidaten für eine positive Selektion identifiziert wurden, genauer und fanden zwei Aminosäurevarianten, die bei anderen Wirbeltieren fehlten.
Es wird vorhergesagt, dass diese Veränderungen in zwei Schlüsselperioden in der Geschichte der antarktischen Eisfische aufgetreten sind: der Entwicklung von Frostschutz-Glykoproteinen und dem Einsetzen eisiger Polarbedingungen. Dieses Timing deutet darauf hin, dass diese Varianten mit der Anpassung und Speziation von Eisfischen als Reaktion auf klimatische Ereignisse in Verbindung gebracht wurden.
Um die funktionellen Wirkungen dieser beiden Aminosäurevarianten zu bestätigen, führten die Forscher In-vitro-Assays durch, in denen sie Versionen von Rhodopsin erstellten, die jede interessierende Variante enthielten. Beide Aminosäurevarianten beeinflussten das kinetische Profil von Rhodopsin, senkten die Aktivierungsenergie, die für die Rückkehr zu einer „dunklen“ Konformation erforderlich ist, und kompensierten wahrscheinlich eine kälteinduzierte Abnahme der kinetischen Geschwindigkeit von Rhodopsin. Außerdem führte eine der Aminosäureänderungen zu einer Verschiebung der Lichtabsorption von Rhodopsin hin zu längeren Wellenlängen. Diese doppelte Funktionsänderung kam für Castiglione und seine Co-Autoren überraschend.
„Wir waren überrascht zu sehen, dass Eisfisch-Rhodopsin Mutationen entwickelt hat, die sowohl die Kinetik als auch die Absorption von Rhodopsin gleichzeitig verändern können. Wir sagen voraus, dass dies es den Eisfischen ermöglicht, ihr Sehvermögen an rotverschobene Wellenlängen unter Meereis und durch sehr wenige an kalte Temperaturen anzupassen Mutationen.“
Interessanterweise unterschieden sich die bei den antarktischen Eisfischen beobachteten Aminosäureveränderungen von denen, die Kälteanpassungen bei den zuvor vom Team untersuchten Welsen in großer Höhe verliehen, was auf mehrere Anpassungswege in diesem Protein hindeutet. Um diese Studienlinie fortzusetzen, hoffen Castiglione und seine Kollegen, die Kälteanpassung in den Rhodopsinen anderer kaltlebender Fischlinien, einschließlich arktischer Fische, zu untersuchen.
„Arktische Fische teilen viele der kälteangepassten Phänotypen, die in den antarktischen Eisfischen zu finden sind, wie z. B. Frostschutzproteine. Diese konvergente Evolution scheint jedoch durch unterschiedliche molekulare Mechanismen erreicht worden zu sein. Wir vermuten, dass dies auch bei Rhodopsin der Fall sein könnte.“
Leider kann sich die Erfassung der für eine solche Analyse erforderlichen Daten als schwierig erweisen. „Ein großes Hindernis für unsere Forschung ist die Schwierigkeit, Fische aus antarktischen und arktischen Gewässern zu sammeln“, sagt Castiglione, „was uns auf öffentlich zugängliche Datensätze beschränkt.“
Diese Aufgabe könnte in Zukunft noch schwieriger werden, da diese kälteangepassten Fische zunehmend von der globalen Erwärmung betroffen sind. Wie Castiglione betont: „Der Klimawandel könnte die anpassungsfähige Landschaft der Eisfische in sehr naher Zukunft verändern, da das Meereis weiter schmilzt, was die Eisfische sehr wahrscheinlich dazu zwingt, sich in einem evolutionären ‚Missverhältnis‘ zwischen ihrer Umgebung und ihrer Genetik wiederzufinden.“
Mehr Informationen:
Gianni M. Castiglione et al., Anpassung der antarktischen Eisfisch-Vision an extreme Umgebungen, Molekularbiologie und Evolution (2023). DOI: 10.1093/molbev/msad030.