Mondsüchtige Mücken – Evolution in Raum und Zeit
Forschungsbericht (importiert) 2025 - Max Planck Institut für Evolutionsbiologie
Raumzeiten
Die Natur hat nicht nur eine räumliche Struktur, sondern auch eine zeitliche. Sie ist geprägt von Tag und Nacht, Jahreszeiten, Gezeiten und Mondphasen. Mit diesen Zyklen ändern sich viele Umweltfaktoren, die für das Überleben und die Fortpflanzung von Lebewesen entscheidend sind, etwa Licht und Temperatur, aber auch Nahrungsangebot und Räuberdruck. Für Lebewesen ist es daher von Vorteil, diese regelmäßigen Zyklen vorwegnehmen zu können. So sind im Laufe der Evolution Zeitmess-Mechanismen entstanden, biologische Uhren. Die bekannteste von ihnen ist die Tagesuhr, es gibt aber auch Gezeitenuhren, Monduhren und Jahresuhren, die nur wenig erforscht sind.
Clunio marinus – die mondsüchtige Mücke
Meine Forschungsgruppe beschäftigt sich mit Monduhren und der Meeresmücke Clunio marinus (Abb. 1). Clunio lebt in der Gezeitenzone der Atlantikküste. Die Larven besiedeln Algenpolster tief in der Gezeitenzone, die fast immer von Wasser bedeckt sind. Die erwachsenen Mücken sind jedoch für die Eiablage darauf angewiesen, dass diese Algenpolster während des Niedrigwassers trockenfallen. Dies geschieht zuverlässig während der sogenannten Springtiden, zu Vollmond und zu Neumond. Die Entwicklung der Clunio-Larven wird von einer Monduhr gesteuert, die dafür sorgt, dass erwachsene Mücken nur zu Vollmond oder Neumond schlüpfen. Gleichzeitig sorgt eine Tagesuhr dafür, dass das Schlüpfen kurz vor Eintritt des Niedrigwassers stattfindet. Die geschlüpften Mücken paaren sich sofort, legen ihre Eier und sterben oft noch, bevor die Flut zurückkehrt.
Evolutionäre Anpassungen bieten einen experimentellen Zugang zur Monduhr
Die Niedrigwasserzeiten ändern sich von Ort zu Ort (Abb. 2A, rote Linien). Daher sind die Mond- und Tagesuhren von Clunio an den jeweiligen Standort (Abb. 2A, rote Punkte) angepasst; die Mücken schlüpfen zu verschiedenen Mondphasen oder Tageszeiten. Darüber hinaus gibt es in der gezeitenfreien Ostsee auch Clunio-Populationen ohne Monduhr. Kreuzungsexperimente zeigen, dass diese Anpassungen genetisch festgelegt sind. Mithilfe genetischer Methoden konnten Gene und Moleküle identifiziert werden, die vermutlich für die lokalen Anpassungen verantwortlich sind und damit Teil der unbekannten Monduhr sein müssen [1, 2].
Konvergente Evolution
Die genetischen Daten zeigten überraschenderweise, dass die Monduhr offensichtlich von vielen bereits bekannten Tagesuhr-Genen beeinflusst wird. Experimente belegten, dass die Monduhr von Clunio tatsächlich auf dem Zählen der Tagesuhr-Zyklen beruht [3]. Im Vergleich zeigte sich, dass an der Monduhr der Ringelwürmer wiederum keine Tagesuhr beteiligt ist, während die Monduhr bestimmter Braunalgen auf einer komplexen Interaktion von Tages- und Gezeitenuhr basiert. Diese molekulare Vielfalt belegt, dass Monduhren im Laufe der Evolution mehrfach unabhängig voneinander entstanden sind [4]. Unsere Untersuchungen legen nahe, dass die Monduhr von Clunio durch das Umfunktionieren eines bestehenden, tageslänge-abhängigen Überwinterungsmechanismus entstanden ist [4].
Das Phänomen, dass im Laufe der Evolution Bestehendes wiederverwertet, neu gemischt und daraus durch Versuch und Irrtum Neues erschaffen wird, hat einen eigenen Namen: Evolutionary Tinkering – also Herumflicken oder Basteln.
Chronotypen, Ökotypen und Artbildung
Die für Clunio geeigneten Fortpflanzungsfenster treten zu Vollmond und zu Neumond auf, und an diesen Tagen gibt es zwei Niedrigwasser. Damit bestehen an jedem Ort vier zeitliche Nischen, ähnlich ökologischer Nischen, die besetzt werden können (Abb 2B, schwarze Rechtecke). Tatsächlich finden sich an einigen Orten in der Bretagne mehrere Clunio-Stämme, die sich in unterschiedlichen zeitlichen Nischen fortpflanzen, sogenannte Chronotypen. So pflanzt sich beispielsweise in Roscoff ein Chronotyp nur zu Vollmond fort, der andere nur zu Neumond (Abb. 2A, B, gelbe und grüne Kreise). Genetische Analysen deuten darauf hin, dass diese Chronotypen in weniger als 10.000 Jahren aus einem einzigen Ausgangstyp und ohne räumliche Trennung entstanden sind.
Die Koexistenz von Chronotypen ist aus ökologischer Sicht schwer zu erklären. Die erwachsenen Mücken sind zwar zeitlich getrennt, die langlebigen Larven finden sich aber gleichzeitig im selben Lebensraum und konkurrieren daher um Ressourcen. Nach Georgi Gause’s Konkurrenzausschlussprinzip sollte auf lange Sicht ein Chronotyp den anderen verdrängen. Weitere Untersuchungen in Roscoff zeigten jedoch, dass sich der dortige Neumond-Stamm einige Tage vor Neumond, also „zu früh“ fortpflanzt ([5]; Abb. 2B). An diesen Tagen ist das Niedrigwasser weniger ausgeprägt, sodass die tiefen Bereiche der Gezeitenzone für die Eiablage nicht zugänglich sind (Abb. 2C). Der „optimal“ schlüpfende Vollmond-Stamm kann diese Bereiche erreichen. Dies führt zu einer teilweisen räumlichen Trennung der Larven (Abb. 2D). Ökologische Modelle belegen, dass diese räumliche Trennung für die Koexistenz der Chronotypen notwendig und hinreichend ist.
Gezeitenzonen sind räumlich stark strukturiert: In höheren Bereichen leben andere Algen, Mikroorganismen und Fressfeinde als in tieferen Bereichen. Freiland-Untersuchungen zeigen, dass sich die Chronotypen nicht nur in ihrer Fortpflanzungszeit unterscheiden, sondern auch in ihren ökologischen Interaktionen (Abb. 2E). Sie bevorzugen zum Beispiel verschiedene Algenarten als Lebensraum für die Larven und beherbergen andere Mikroorganismen. Weitere Experimente legen nahe, dass sie sich auf dem Weg der Artbildung befinden. Dies unterstreicht, dass neue Arten nicht nur durch räumliche Trennung entstehen können, sondern auch an ein und demselben Ort durch zeitliche Trennung und ökologische Spezialisierung, hier: durch verschiedene Mondrhythmen. Die Grenze zwischen Populationen, Ökotypen und Arten ist dabei fließend – und ändert sich kontinuierlich in Raum und Zeit.