Studie zeigt, dass eine weit verbreitete physische und genomische Anpassung an die Umwelt innerhalb von Wochen erfolgen kann

Evolution ist ein langsamer, allmählicher Prozess? Sagen Sie das den Fruchtfliegen. In einem neuen Bericht in Wissenschaftverwendeten Forscher der University of Pennsylvania ein kontrolliertes Feldexperiment, um zu zeigen, dass sich Fliegen schnell an wechselnde Umweltbedingungen mit Veränderungen in ihrem gesamten Genom und in einer Reihe physikalischer Eigenschaften anpassen.

Im Verlauf des nur vier Monate dauernden Experiments dokumentierten die Forscher Veränderungen an 60 Prozent des Fliegen-Genoms. Mit dieser direkten Beobachtung der schnellen und kontinuierlichen Anpassung an die Umwelt – ein Phänomen, das als adaptives Tracking bekannt ist – haben die Biologen ein neues Paradigma für die Betrachtung der Zeitskala der Evolution geschaffen.

„Es war eine interessante Idee, die aber für unwahrscheinlich gehalten wurde, bis wir sie zeigten“, sagt Paul Schmidt, Biologieprofessor an der Penn’s School of Arts & Sciences und leitender Autor des Papiers.

„Was das so spannend macht, ist die zeitliche Auflösung, mit der wir evolutionäre Prozesse in Echtzeit sehen“, sagt Seth Rudman, einer der Hauptautoren der Publikation, der die Arbeit als Postdoktorand bei Penn durchführte und jetzt Assistent ist Professor an der Washington State University.

Wie schnell

Es ist seit langem bekannt, dass die Evolution bei kurzlebigen und sich schnell vermehrenden Fruchtfliegen schnell voranschreiten kann. Aber wie schnell genau, blieb fraglich, insbesondere ob sich mehrere Merkmale gemeinsam kontinuierlich als Reaktion auf kurzfristige Umweltveränderungen entwickeln könnten.

In früheren Studien auf Obstplantagen in der Umgebung von Philadelphia hatten Schmidt und Kollegen festgestellt, dass sich die Fruchtfliegen zu Beginn der Vegetationsperiode in Bezug auf Stresstoleranz, Fortpflanzungsfähigkeit und sogar Pigmentierung deutlich von denen unterschieden, die im Spätherbst herumschwirrten. Aber diese Forschung konnte die Möglichkeit nicht ausschließen, dass neue Fliegen in die Population eindrangen und die dramatischen Veränderungen verursachten.

Um die Umstände ihrer Studien strenger zu kontrollieren, entwickelte das Team einen experimentellen Obstgarten, der sich auf einem Stück Land bei Pennovation Works befindet, nicht weit vom Hauptcampus von Penn entfernt. Dort ermöglichen mehrere Gehege den Mitgliedern des Schmidt-Labors, Fliegen unter realen Umgebungsbedingungen zu untersuchen – Kälte, Hitze, Regen und so weiter – und gleichzeitig zu verhindern, dass Fliegen eindringen oder entkommen. Daher ist bekannt, dass die Insekten in den Gehegen am Ende eines Experiments die direkten Nachkommen derjenigen sind, die zu Beginn der Studie in das Gehege entlassen wurden.

Einchecken in die Evolution

Die Forscher begannen die aktuelle Untersuchung mit der Freilassung von 1.000 Drosophila melanogaster Fruchtfliegen in jedem der 10 Gehege im Juli 2014. Die Fliegen wurden dann mit dem gleichen Futter gefüttert, aber ansonsten sich selbst überlassen. Auf dem Höhepunkt des Experiments war jede Population auf etwa 100.000 angewachsen.

Einmal im Monat entfernte das Team einzelne Fliegen und 2.500 Eier aus jedem Gehege, zog sie separat auf und analysierte sie dann auf sechs verschiedene physikalische Merkmale, von denen bekannt ist, dass sie von mehreren Genen gesteuert werden, wie z. B. Fortpflanzungserfolg und Kältetoleranz.

Darüber hinaus wählten die Forscher bei jedem dieser monatlichen Check-ins zufällig 100 Fliegen aus der Population jedes Geheges aus und sequenzierten ihre Genome als gepoolte Gruppe. Auf diese Weise konnten sie eine Momentaufnahme der sich ändernden Allelfrequenzen – der Variationen an verschiedenen Stellen im Genom – im Laufe der Zeit erhalten.

Sowohl die physikalischen als auch die Genomdaten zeigten eindeutig: Die Fliegen entwickelten sich weiter, passten sich ihrer Umgebung an, und sie taten dies schneller, als irgendjemand jemals zuvor gemessen hatte.

„Wir sehen, dass die Populationen in der Lage sind, Unterschiede in der Umwelt aufzuspüren“, sagt Schmidt. „Dies war keine Reaktion auf ein einzelnes, selektives Ereignis wie eine Dürre. Die Populationen entwickelten und veränderten sich während des gesamten Experiments ständig.“

Schwankende Anpassung

Da Fliegen kurzlebig sind, entspricht der Zeitraum von einer Handvoll Wochen zwischen jeder Analyse einer bis vier Generationen von Fliegen oder ungefähr zehn Generationen im Verlauf des gesamten Experiments.

Trotzdem war das Ausmaß der Anpassung unerwartet, da sich mehr als 60 % des Genoms der Fliegen während des Experiments direkt oder indirekt weiterentwickelten. Schmidt und Rudman stellen fest, dass dies nicht bedeutet, dass die evolutionäre Selektion auf mehr als die Hälfte des Genoms einwirkt – ein Teil der DNA wird mitgezogen, wenn sich andere Teile in einem Prozess verändern, der als „genetischer Entwurf“ bekannt ist.

Was die Ergebnisse jedoch besonders überzeugend machte, war, dass sich die Richtung der Anpassung mehrmals änderte und wie ein Pendel schwingte, wenn sich die Umweltbedingungen änderten.

„Zu denken, dass sich eine Eigenschaft über eine bestimmte Anzahl von Wochen entwickeln und dann im folgenden Monat die Richtung umkehren könnte, war sehr überraschend“, sagt Rudman. „Dies zeichnet ein Bild von Anpassung und Selektion, die wirklich dynamisch sind. Die Richtung der natürlichen Selektion ändert sich, die Ziele ändern sich und sie ändern sich sehr schnell.“

Frühere Studien, erklären die Forscher, könnten die Anpassungsrate möglicherweise unterschätzt haben, weil sie nur genomische Veränderungen zwischen zwei ziemlich weit entfernten Zeitpunkten betrachteten, sagen wir A und B. Indem sie wiederholt und oft dieselbe Population betrachteten, dieses Experiment wurde entwickelt, um aufzuzeigen, was dazwischen geschah – ein verschlungener Weg der Anpassung von A nach B nach C und zurück nach B – Schwankungen, die ansonsten unsichtbar gewesen wären.

Obwohl sich Fruchtfliegen auf einer viel komprimierteren Zeitskala vermehren als Menschen, sagen die Forscher, dass ihre Ergebnisse für langlebigere und sich langsamer regenerierende Arten wie Menschen relevant sind.

„Ich würde argumentieren, dass diese Prozesse in vielen verschiedenen Organismen stattfinden, aber sie sind schwieriger über die entsprechenden Zeitskalen zu messen“, sagt Schmidt. „Für die Fruchtfliegen könnte der Anpassungsdruck also mit den Jahreszeiten kommen, aber für den Menschen könnten es der Klimawandel, die Landwirtschaft, die Nutzung von Milch als Nahrungsquelle sein. Das könnte ein allgemeines Phänomen sein. Die Last liegt jetzt bei uns.“ um die Zeitskala zu bestimmen, auf der es auftritt.“

Rudman und Schmidt haben das Papier zusammen mit Subhash Rajpurohit von Penn, Nicolas J. Betancourt und Jinjoo Hanna sowie Sharon I. Greenblum, Susanne Tilk, Tuya Yokoyama und Dmitri A. Petrov von der Stanford University verfasst. Rudman, Greenblum und Rajpurohit teilten sich die Erstautorenschaft.