Wie die Vorfahren der heutigen Meeresfische die Weltmeere eroberten

Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern des IRTA am IBB-UAB und der Universität Bergen hat einen einzigartigen Satz von Genen identifiziert, der es marinen Knochenfischen ermöglicht, ihre Eier zu hydratisieren, damit sie schwimmen und sich zum Überleben im Ozean ausbreiten. Die entdeckten Mechanismen werfen ein neues Licht auf die Evolution dieser Fischgruppe, zu der fast alle modernen Meeresfische gehören und deren Vorfahren sich aus dem Süßwasser in den Salzbereich vorwagten.

Wissenschaftler aus Spanien, Italien und Norwegen liefern in einer neuen Studie, die in veröffentlicht wurde, neue Erkenntnisse darüber, wie Knochenfische, die 96 % der modernen Meeresfische ausmachen, diesen Hydratationsmechanismus entwickelt haben Molekularbiologie und Evolution. Sie entdeckten eine Anhäufung von Wasserkanalgenen, die nur in Knochenfischen vorkommen. Die Gene lassen Wasser durch Zellmembranen fließen und werden spezifisch in den äußeren Membranen des heranreifenden Eies exprimiert.

Die Studie wurde von Joan Cerdà und Roderick Nigel Finn, Forscher des Institute of Agrifood Research and Technology (IRTA), Spanien, und der Universität Bergen, Norwegen, am Institute of Biotechnology and Biomedicine der Universitat Autònoma de Barcelona (IBB- UAB). Beteiligt waren auch Forscher des Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC), des Spanischen Zentrums für Genomische Regulierung (CRG), des Norwegischen Instituts für Meeresforschung (IMR) und der Universität Padua, Italien.

Obwohl Fische seit Hunderten von Millionen Jahren im Meer geschwommen sind, war dies nicht immer so. Es wird angenommen, dass sich ihre Vorfahren im Süßwasser entwickelt haben. Dies stellte die ersten Pioniere und ihre Anhänger, die sich in die Salzdomäne vorwagten, vor ein großes physiologisches Problem, da die Salzkonzentration ihrer Körperflüssigkeiten, wie beim Menschen, viel niedriger war als im Meerwasser.

Alle modernen Knochenfische spiegeln diesen Zustand wider und sind wie ihre Vorfahren aufgrund der passiven Bewegung ihres Körperwassers in die äußere Umgebung mit hohem Salzgehalt mit Dehydrierung konfrontiert. Im Gegensatz zu Menschen, die aufgrund der Unfähigkeit unserer Nieren, das überschüssige Salz auszuscheiden, kein Meerwasser trinken können, haben Meeresknochenfische diese Fähigkeit mithilfe spezialisierter Zellen in ihren Kiemen entwickelt. Es gab jedoch einen großen Vorbehalt. Um eine Umgebung vollständig zu erobern, ist es notwendig, sich dort zu vermehren, aber ihren einzelligen Eiern fehlte eines der Organsysteme der Jugendlichen und Erwachsenen, die mit Meerwasser umgehen.

Die von Meeresknochenfischen verwirklichte adaptive Lösung besteht darin, dass sie ihre reifenden Eier vor dem Eisprung hydratisieren, um die sich entwickelnden Embryonen mit dem Wasser des Lebens zu versorgen. Die Menge an Hydratation bestimmt, ob die freigesetzten Eier schwerer oder leichter als das umgebende Meerwasser sind und somit auf den Meeresboden sinken oder schwimmen und in den Ozeanen verteilt werden.

Doppelte Gene mit der gleichen Funktion

Ein ungewöhnlicher Aspekt der von den Forschern identifizierten Gene ist, dass es sich um eng verwandte Duplikate handelt, die dieselbe Funktion erfüllen. Wenn eng verwandte Genduplikate entstehen, kann man typischerweise eine neue Funktion erwerben oder sie geht aufgrund überlappender Redundanz verloren. „Im vorliegenden Fall erfüllen die neuen Gene die gleiche Funktion in der gleichen Membran der Eier“, erklärt Joan Cerdà.

Durch das Screening von Hunderten von Teleost-Genomen zeigt die Studie, dass praktisch alle Teleost-Arten, die schwimmende Eier produzieren, ausschließlich mindestens eines der Gene behalten, wobei ein Drittel von ihnen beide Gene behält. Im Gegensatz dazu haben fast die Hälfte der Arten, die Eier produzieren, die sinken, beide Gene verloren, und fast alle Arten, die ihre Eier intern bebrüten, wie etwa Seepferdchen, haben ebenfalls beide Gene verloren.

Um aufzudecken, wie schwimmende Eier die Gene nutzen, setzten die Autoren eine Vielzahl von experimentellen Techniken in Verbindung mit modernsten DNA-Sequenzierungstechnologien ein, um zu zeigen, dass die Proteine, die aus jedem Gen resultieren, spezifische Mechanismen entwickelt haben, die ihre Insertion in die äußeren Membranen kontrollieren die Eier. „Wenn solche Mechanismen aktiviert werden, bindet jeder Kanal an einen zuvor unbekannten Proteintyp, der die Kanäle in der Membran hält“, sagt Roderick Nigel Finn. Auch diese neuen, von den Forschern entdeckten Proteine ​​kommen nur in Knochenfischen vor.

Überraschend ist, dass bei modernen Meeresknochenfischen ein zweiter Aktivierungsmechanismus dafür sorgt, dass einer der Kanäle an einen anderen Teil der äußeren Eimembran verlegt wird. Auf diese Weise erfüllen beide Kanäle weiterhin dieselbe Funktion und konkurrieren nicht um denselben Platz in der Membran. Das Ergebnis ist, dass der Wasserfluss in das reifende Ei beschleunigt wird. Der Prozess wird beendet, wenn die neuen Bindungsproteine ​​freigesetzt werden, was bewirkt, dass die beiden Kanäle die äußere Eimembran verlassen. Dadurch wird das aufgenommene Wasser im Ei eingeschlossen.

Der Hydratationsmechanismus ist so effizient, dass er die Eier mit mehr als 90 % Wasser versorgt. Nach der Freisetzung in die Meeresumwelt und Befruchtung schwimmen die Eier als passive Passagiere in den Meeresströmungen und werden so zu neuen Horizonten getragen.