Wissenschaftler haben gerade ein Gen entdeckt, das ein Beispiel für natürliche Selektion erklärt, das oft in Lehrbüchern erwähnt wird. Dieses Gen macht grau-melierte Pfeffermotten schwarz. Das Gen steuert möglicherweise auch die Veränderung der Flügelfarbe bei hell gefärbten Schmetterlingen.

Ein Mysterium tauchte in Großbritannien in den 1800er Jahren auf. Eine industrielle Revolution hatte gerade begonnen. Geschäftige Fabriken begannen, den Himmel mit Rauch von brennendem Holz und Kohle zu verdunkeln. Die rußige Verschmutzung schwärzte die Baumstämme. Bald bemerkten die viktorianischen Wissenschaftler auch bei den Pfeffermotten (Biston betularia) eine Veränderung. Eine neue, komplett schwarze Form tauchte auf. Sie wurde B. betularia carbonaria genannt, oder die „Holzkohle“-Version. Die ältere Form wurde zu typica, oder die typische Form.

Vögel konnten die alten, hell gefärbten Pfeffermotten leicht erkennen, als sie sich auf rußgeschwärzten Baumstämmen niederließen. Ihre neuen dunklen Vettern hingegen mischten sich ein. Das Ergebnis: Diese Karbonarien wurden seltener gefressen.

Es überrascht nicht, dass die Zahl der hellen Motten zurückging, während ihre dunklen Vettern zunahmen. Bis 1970 waren in einigen verschmutzten Regionen fast 99 Prozent der Pfeffermotten schwarz.

Im späten 20. Jahrhundert begannen sich die Dinge zu ändern. Gesetze zur Kontrolle der Umweltverschmutzung traten in Kraft. Firmen konnten nicht mehr so viel rußige Verschmutzung in die Luft werfen. Schon bald konnten die Vögel die schwarzen Motten wieder leicht erspähen. Jetzt sind die Carbonaria-Motten selten geworden und die Typica-Motten dominieren wieder.

Die Verschmutzung hat die Motten nicht schwarz gemacht. Sie verschaffte den Motten, die die genetische Veränderung trugen, die ihre Flügel schwarz machte, lediglich einen Tarnvorteil. Und als die Verschmutzung verschwand, verschwand auch der Vorteil der dunklen Motten.

Noch immer rätselten die Wissenschaftler, wie die schwarzen Motten entstanden sind. Bis jetzt, zumindest. Forscher in England haben den Unterschied zwischen einer Typica- und einer Carbonaria-Motte auf einen genetischen Kniff zurückgeführt.

Die Wissenschaftler berichteten über ihr Ergebnis am 1. Juni in Nature.

Ein Beispiel für schnelle Evolution

Gene enthalten die Anweisungen, die den Zellen sagen, was sie tun sollen. Im Laufe der Zeit können sich einige Gene verändern, oft ohne ersichtlichen Grund. Solche Veränderungen werden als Mutationen bezeichnet. Diese Studie „beginnt zu enträtseln, was genau die ursprüngliche Mutation war“, die die schwarzen Motten hervorbrachte, sagt Paul Brakefield. Er ist Evolutionsbiologe an der Universität von Cambridge in England. Die Entdeckung, sagt er, „fügt der Geschichte ein neues und aufregendes Element hinzu“

Die Veränderungen der Flügelfarbe bei den Pfeffermotten sind ein häufiges Beispiel für das, was Wissenschaftler als natürliche Selektion bezeichnen. Bei ihr entwickeln Organismen zufällige Mutationen. Einige der Genveränderungen führen dazu, dass Individuen besser an ihre Umwelt angepasst sind – oder angepasst werden. Diese Individuen neigen dazu, häufiger zu überleben. Und wenn sie das tun, geben sie die hilfreiche Mutation an ihre Nachkommen weiter.

Mit der Zeit werden die meisten überlebenden Individuen das veränderte Gen tragen. Und wenn dies bei genügend Individuen geschieht, können sie eine neue Art bilden. Das ist Evolution.

Ein weiteres Beispiel für Anpassung und natürliche Auslese sind Schmetterlinge, die die Farbmuster anderer nachahmen oder kopieren. Einige Schmetterlinge sind giftig für Vögel. Die Vögel haben gelernt, die Flügelmuster dieser Schmetterlinge zu erkennen und sie zu meiden. Ungiftige Schmetterlinge können einige genetische Veränderungen entwickeln, die ihre Flügel wie die der giftigen Schmetterlinge aussehen lassen. Vögel meiden die Nachahmungen. So können sich die Nachahmer vermehren.

Die Details der Genveränderungen, die hinter den Anpassungen der Pfeffermotten und Schmetterlinge stehen, waren den Wissenschaftlern jahrzehntelang entgangen. Dann, im Jahr 2011, verfolgten Forscher die Eigenschaften zu einer Region von Genen, die sowohl bei den Motten als auch bei den Schmetterlingen existiert. Welches Gen oder welche Gene genau hinter den Veränderungen stecken, blieb jedoch ein Rätsel.

Bei den Pfeffermotten umfasste die fragliche Region etwa 400.000 DNA-Basen. Basen sind informationstragende chemische Einheiten, aus denen die DNA besteht. Die Region in diesen Insekten beherbergte 13 separate Gene und zwei microRNAs. (MicroRNAs sind kurze RNA-Stücke, die nicht den Bauplan für die Herstellung von Proteinen tragen. Sie helfen jedoch zu kontrollieren, wie viel von bestimmten Proteinen eine Zelle herstellt.)

Screening nach der Genveränderung

„Es gibt nicht wirklich irgendwelche Gene, die einem entgegenschreien und sagen ‚Ich bin an der Flügelmusterung beteiligt'“, bemerkt Ilik Saccheri. Er ist Evolutionsgenetiker an der Universität von Liverpool in England. Er leitete auch die Pfeffermottenstudie.

Saccheri und sein Team verglichen diese lange DNA-Region bei einer schwarzen Motte und drei typischen Motten. Die Forscher fanden 87 Stellen, an denen sich die schwarze Motte von den hellen unterschied. Die meisten Veränderungen lagen in einzelnen DNA-Basen. Solche genetischen Varianten sind als SNPs bekannt. (Die Abkürzung steht für Single Nucleotide Polymorphisms.) Andere Veränderungen waren Hinzufügungen oder Löschungen einiger DNA-Basen.

Ein Unterschied war ein unerwartetes 21.925 Basen langes Stück DNA. Er war irgendwie in die Region eingefügt worden. Dieses große Stück DNA enthielt mehrere Kopien eines transposablen Elements. (Dies wird auch als springendes Gen bezeichnet.) Wie ein Virus kopieren sich diese DNA-Stücke und fügen sich in die DNA eines Wirts ein.

Das Team untersuchte die DNA von hunderten weiteren Typica-Faltern. Wenn eine helle Motte eine der Veränderungen aufwies, bedeutete dies, dass die Veränderung nicht für ihre schwarz geflügelte Cousine verantwortlich war. Eine nach der anderen schlossen die Wissenschaftler Mutationen aus, die zu schwarzen Flügeln führen könnten. Am Ende hatten sie einen einzigen Kandidaten. Es war das große transponierbare Element, das im Kortex-Gen gelandet war.

Aber dieses springende Gen landete nicht in der DNA, die den Bauplan für die Herstellung eines Proteins liefert. Stattdessen landete es in einem Intron. Das ist ein Abschnitt der DNA, der herausgeschnitten wird, nachdem das Gen in die RNA kopiert wurde – und bevor ein Protein gebildet wird.

Um sicher zu sein, dass das springende Gen für die schwarzen Flügel verantwortlich war, die während der industriellen Revolution gesehen wurden, fanden Saccheri und seine Mitarbeiter heraus, wie alt die Mutation war. Die Forscher nutzten historische Messungen, wie häufig der schwarze Flügel im Laufe der Geschichte war. Daraus errechneten sie, dass das springende Gen im Kortex-Intron etwa 1819 zum ersten Mal auftrat. Damit hatte die Mutation etwa 20 bis 30 Mottengenerationen Zeit, um sich in der Population zu verbreiten, bevor die ersten Menschen 1848 von Sichtungen der schwarzen Motten berichteten.

Saccheri und seine Kollegen fanden dieses transponierbare Element in 105 von 110 wild gefangenen Carbonaria-Motten. In keiner der 283 getesteten Typica-Motten war es vorhanden. Die anderen fünf Falter, so folgern sie nun, sind aufgrund einer anderen, unbekannten genetischen Variation schwarz.

Schmetterlingsbänder

Eine zweite Studie in der gleichen Ausgabe von Nature konzentrierte sich auf Heliconius-Schmetterlinge. Diese farbenfrohen Schönheiten flattern durch ganz Amerika. Und wie die Pfeffermotten sind sie seit den 1800er Jahren Modelle für die Evolution. Nicola Nadeau leitete eine Gruppe von Forschern, die herausfinden wollte, was die Flügelfarben bei diesen Schmetterlingen steuert.

Nadeau ist Evolutionsgenetikerin an der Universität von Sheffield in England. Ihr Team suchte nach genetischen Varianten, die mit dem Vorhandensein – oder Fehlen – der gelben Bänder auf den Flügeln zusammenhängen. Diese Färbung ist wichtig, weil das gelbe Band einigen leckeren Schmetterlingsarten hilft, die schlecht schmeckenden zu imitieren. Sich als schlecht schmeckender Schmetterling auszugeben, kann dazu beitragen, dass der leckere Schmetterling zur Mahlzeit eines Raubtiers wird.

Nadeaus Team durchkämmte mehr als 1 Million DNA-Basen in jeder der fünf Heliconius-Arten. Darunter war auch H. erato favorinus. Die Wissenschaftler fanden 108 SNPs in jedem Mitglied dieser Art, das ein gelbes Band auf den Hinterflügeln hatte. Die meisten dieser SNPs befanden sich in Introns des Cortex-Gens oder außerhalb dieses Gens. Schmetterlinge ohne das gelbe Band wiesen diese SNPs nicht auf.

Andere DNA-Veränderungen um das Cortex-Gen wurden gefunden, die auch bei anderen Heliconius-Arten zu gelben Streifen auf den Flügeln führen. Das deutet darauf hin, dass die Evolution mehrfach auf das Cortex-Gen eingewirkt hat, um die Flügel der Käfer zu streifen.

Sie suchen nach Beweisen für die Wirkung von „springenden Genen“

Die Erkenntnis, dass dasselbe Gen die Flügelmuster bei Schmetterlingen und Nachtfaltern beeinflusst, zeigt, dass einige Gene Hotspots der natürlichen Selektion sein können, sagt Robert Reed. Er ist Evolutionsbiologe an der Cornell University in Ithaca, N.Y.

Keiner der Genunterschiede in den Schmetterlingen oder Pfeffermotten veränderte das Kortex-Gen selbst. Das bedeutet, dass es möglich ist, dass das springende Gen und die SNPs nichts mit dem Gen zu tun haben. Die Veränderungen könnten lediglich ein anderes Gen steuern. Aber die Beweise, dass Cortex wirklich das Gen ist, auf das die natürliche Selektion eingewirkt hat, sind stark, sagt Reed. „Es würde mich überraschen, wenn sie falsch liegen.“

Noch ist nicht klar, wie das Cortex-Gen die Flügelmuster verändern würde, sagt Saccheri. Er merkt an, dass beide Forschungsteams „gleichermaßen verwirrt darüber sind, wie es das tut, was es zu tun scheint.“

Falter- und Schmetterlingsflügel sind mit bunten Schuppen bedeckt. Die Teams haben Hinweise darauf, dass das Cortex-Gen dabei hilft zu bestimmen, wann bestimmte Flügelschuppen wachsen. Und bei Schmetterlingen und Motten beeinflusst der Zeitpunkt der Flügelschuppenentwicklung ihre Farben, sagt Reed. „

Die gelben, weißen und roten Schuppen entwickeln sich zuerst. Schwarze Schuppen kommen später. Es ist bekannt, dass der Kortex auch am Zellwachstum beteiligt ist. Wenn man also die Menge des Proteins, das es herstellt, anpasst, kann das Wachstum der Schuppen beschleunigt werden. Und das kann dazu führen, dass die Schuppen farbig werden. Oder es kann ihr Wachstum verlangsamen, so dass sie schwarz werden, spekulieren die Forscher.

SNPs können natürlich auch Gene verändern, die die Färbung in anderen Organismen, einschließlich Menschen, beeinflussen.

Aber die große Botschaft dieser Arbeit ist, so die Wissenschaftler, dass eine einfache Veränderung in einem einzigen Gen einen Unterschied im Aussehen – und manchmal auch im Überleben – einer Spezies ausmachen kann, wenn sich die Bedingungen ändern.

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