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The molecular drivers of deep-sea adaptation in brittle stars

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Genomstudie enthüllt, wie Schlangensterne sich an die extreme Lebenssituation in der Tiefsee angepasst haben

Mehrere Tausend Meter unter der Meeresoberfläche wimmelt es von merkwürdigen und wundervollen Kreaturen, die sich der Vorstellung entziehen. Ein EU-finanziertes Forschungsprojekt bietet Hinweise darauf, wie Schlangensterne sich so gut an das Leben außer Reichweite der Sonnenstrahlen anpassen konnten.

Grundlagenforschung

Wer einen Einblick in die seltsamsten Lebensformen der Erde bekommen möchte, die rational kaum zu erklären sind, muss sich in die Tiefsee begeben. Dort trotzen vielfältige Wirbellose der extremen Meeresumwelt, in die kein Sonnenlicht vordringt. In eiskalten Temperaturen und bei zermalmendem hydrostatischem Druck leben und überleben sie. „Der Boden der Tiefsee ist das am wenigsten erforschte Ökosystem des Planeten, obwohl er mehr als zwei Drittel der Erdoberfläche bedeckt. Wie sich diese geheimnisvolle, seltsame Welt der Tiefsee an solch eine extreme Umgebung anpasst, ist ein großes Rätsel der Evolution“, meint Alexandra Weber, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts DEEPADAPT, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde. „Erstaunlicherweise ist nur wenig über die molekularen Mechanismen, die der Anpassung der Tiere an die Tiefsee zugrunde liegen, bekannt. Welche und wie viele Gene sind an der Anpassung beteiligt? Welche Rolle spielt die konvergente Evolution bei entfernt verwandten Taxa?“, fragt sich Weber.

Erforschung der Lebewesen in der Tiefsee – eine Herausforderung

Die Forschung der Marie-Curie-Stipendiatin konzentrierte sich auf Schlangensterne, die der Klasse der Ophiuroidea angehören. Diese elegante, schöne Gruppe der wirbellosen Meerestiere kommt in der gesamten Tiefsee vor, und zwar in einer Vielfalt an Formen, Größen und Farben. Man findet sie in den unterschiedlichsten Lebensräumen der Tiefsee und dort, wo sie existieren, treten sie in großen Mengen auf, was ihre starke Anpassungsfähigkeit beweist. Doch obwohl sie die vorherrschenden Bewohner der Tiefsee sind, stellt sich die Frage, wie Forschende diese Organismen untersuchen können. „In einer Tiefe von 4 000 m sind alle Beobachtungs- und Versuchsstudien über die Tiefsee äußerst schwierig. Und wenn Tiefseeorganismen an die Oberfläche gebracht werden, überleben sie die Druck- und Temperaturveränderung nicht“, erläutert Weber. Dieses Hindernis konnte dank Exemplaren aus Museumssammlungen umschifft werden, die Genomstudien für gründliche DNA-Analysen der Schlangensterne ermöglichten.

Neue Einblicke in die evolutionäre Genomik der Schlangensterne

Hauptsächliches Ziel von DEEPADAPT war die Entschlüsselung der molekularen Mechanismen, die hinter der Anpassung des Schlangensterns an die Tiefsee stehen. Um zu erforschen, wie entfernt verwandte Schlangensternfamilien unabhängig voneinander ähnliche Merkmale entwickelten, untersuchte Weber die molekulare Evolution von etwa 400 Genen, die von 700 Schlangensternarten stammten. Die Untersuchung ergab, dass die Proteinbiogenese (einschließlich der Proteinfaltung und -translation) ein zentraler Mechanismus ist, der die Anpassung an die Tiefsee ermöglicht. Eine Analyse der Gesamtgenomsequenzierung von 80 Schlangensternarten lieferte Hinweise auf die umweltbedingten, biologischen und genomischen Faktoren, welche sich auf die Genomgröße auswirken. Insbesondere fand Weber heraus, dass die lebensgeschichtlichen Merkmale der Tiefseearten, wie ihre Langlebigkeit und der niedrige Stoffwechsel, maßgeblich zur Vergrößerung des Genoms beitragen. Zudem entdeckte die Forscherin, dass die Genomgröße durch Veränderungen in den wiederholten Sequenzen, die in mehreren Kopien im gesamten Genom auftreten, gesteuert wird. Schließlich führte Weber eine Analyse der Gesamtgenomsequenzierung an 120 abyssalen Schlangensternen der Art Ophiosphalma armigerum durch, um festzustellen, wie Gene sich auf deren lokale Anpassung auswirken. Die Exemplare stammten aus verschiedenen Tiefseeregionen aus der ganzen Welt und aus einer Tiefe von 2 500 bis 4 000 m. DEEPADAPT entdeckte Signaturen für die reproduktive Isolation bei morphologisch identischen Schlangensternen, die zu verschiedenen Arten gehören und aus derselben Tiefseeregion, aber aus verschiedenen Tiefen, stammen. Außerdem enthüllte die Studie, dass eng verwandte Arten Signaturen von Hybridisierung aufweisen, was darauf schließen lässt, dass reproduktive Isolationsmechanismen postzygotisch sind, d. h., diese Mechanismen treten nach der Verschmelzung von Spermium und Ei ein. „Die Projektergebnisse haben bedeutende Auswirkungen auf die Evolutionsbiologie. Außerdem können sie klären, wie die Vielfalt der Tierwelt in der Tiefsee auf den Klimawandel reagieren könnte“, so Weber abschließend.

Schlüsselbegriffe

DEEPADAPT, Schlangensterne, Tiefsee, Adaption, Gesamtgenomsequenzierung, reproduktive Isolation, konvergente Evolution

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