Wale – Erfolgreich im Wasser nach Genverlust

von Katrin Boes | MPI-CBG | Dresden | 27. September 2019

Obwohl Wale und Delfine ihr ganzes Leben im Meer verbringen, haben sich diese luftatmenden Säugetiere ursprünglich aus Landbewohnern entwickelt, die vor etwa 50 Millionen Jahren lebten. Dieser Wechsel vom Land zum Wasser war von tiefgreifenden anatomischen, physiologischen und verhaltensbezogenen Anpassungen begleitet, die letztlich ein Leben im Wasser ermöglichten. Welche Veränderungen in der DNA diesen Anpassungen zugrunde liegen, ist aber noch weitgehend ungeklärt. Daher suchten Forscher am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) und am Zentrum für Systembiologie Dresden (CSBD) systematisch nach Genen, die bei den Vorfahren von Walen und Delfinen verloren gegangen sind. Das Forscherteam entdeckte insgesamt 85 Genverluste. Interessanterweise haben einige Genverluste den Walen wahrscheinlich geholfen, sich an ihre neue Umgebung anzupassen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Zahlreiche Anpassungen für das Leben im Wasser

Großer Tümmler im Sprung
Großer Tümmler in Schottland. Bild: J. Herrmann

Wale oder Delfine ähneln äußerlich großen Fischen (und werden daher häufig noch irrtümlich als Walfisch angesprochen). Allerdings sind Wale, deren engste Verwandte an Land die Flusspferde und Kühe sind, luftatmende Säugetiere. Die  evolutionären Vorfahren der Wale haben sich daran angepasst, ihr ganzes Leben im Ozean zu verbringen. Während dieses Übergangs vom Land zum Wasser kam es zu erheblichen Veränderungen in der Anatomie und Physiologie. Diesen sind ein besseres Schwimm- und Tauchvermögen oder der Schutz gegen den Wärmeverlust zu verdanken:

  • Entwicklung stromlinienförmiger Körper
  • Verlust der Körperhaare
  • Entwicklung dicker Fettpolster
  • Verlust der Beine
  • Ausbildung von Schwanzflossen
  • Vergrößerung der Sauerstoffspeicher
  • Ausbildung eines flexiblen Brustkorbs, der einen Lungenkollaps bei Tauchgängen ermöglichte.

Gen-Detektive vergleichen Flusspferde mit Walen

Welche Veränderungen in der DNA (dem Genom) für diese Anpassungen wichtig sind, ist aber noch größtenteils unverstanden. Deshalb suchte ein Forscherteam um Michael Hiller am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme und am Zentrum für Systembiologie Dresden zusammen mit Kollegen von der University of California und dem American Museum of Natural History in New York systematisch nach Genen, die während diesem evolutionären Wechsel vom Land zum Wasser verloren gingen. Dazu untersuchten die Wissenschaftler die Genome der heutigen Wale, Delfine und anderer Säugetiere auf Mutationen, die Gene deaktivieren. Matthias Huelsmann, der Hauptautor der Studie, erklärt: „Wir haben nach Mutationen gesucht, die bei allen Walen und Delfinen vorkommen, aber nicht bei Nilpferden oder anderen Landsäugetieren. Diese Mutationen deuten darauf hin, dass das jeweilige Gen bei den Walvorfahren verloren gegangen sein muss.“

Abgeschaltete Gene sichern das Leben im Lebensraum Wasser

Insgesamt 85 Genverluste wurden in dieser systematischen Suche entdeckt. Viele dieser Gene gingen wahrscheinlich verloren, weil ihre Funktion nicht mehr gebraucht wurde. Beispielsweise wird Speichel im Wasser nicht mehr benötigt, um Nahrung zu schlucken. Und andererseits sparen Wale das in der Salzwasserumgebung kostbare Frischwasser. Das erklärt vermutlich, warum ein Gen, was an der Speichelsekretion beteiligt ist, verloren ging. 

Interessanterweise könnte der Verlust anderer Gene für die Ur-Wale sogar von Vorteil gewesen sein. „Ein Genverlust, den wir entdeckt haben, verbessert wahrscheinlich die Fähigkeit von Walen, eine bestimmte Art von DNA-Schaden zu reparieren. Dieser wird durch den erheblichen Sauerstoffmangel beim Tauchen verursacht. Wird die DNA nicht ordnungsgemäß repariert, kann dies zu Tumoren führen oder andere negative Folgen haben“, berichtet Matthias Huelsmann. Die Verluste anderer Gene schützen Wale vermutlich vor der Bildung von Blutgerinnseln und vor Lungenschäden beim Tauchen.

Im Wasser schläft man anders – Wale ohne Melatonin

Aber es veränderten sich nicht nur Anatomie und Physiologie von Walen und Delfinen, sondern auch bestimmte Aspekte ihres Verhaltens. Insbesondere ist es im Ozean schwierig, längere Zeit zu schlafen, da die Tiere regelmäßig zum Atmen auftauchen müssen. Dies führte dazu, dass bei Walen und Delphinen jeweils nur eine Hälfte des Gehirns schläft, während die andere Hälfte Bewegung und Atmung koordiniert. Interessanterweise fanden die Forscher, dass alle Gene, die zur Bildung des schlafregulierenden Hormons Melatonin benötigt werden, bei Walen und Delfinen verloren gegangen sind. Diese Genverluste könnten eine Voraussetzung gewesen sein, sich diese spezielle Schlafweise anzueignen.

Michael Hiller, der die Studie leitete, resümiert: „Wir haben neue Hinweise gefunden, dass der Verlust von Genen während der Evolution manchmal von Vorteil sein kann. Das bestätigt auch frühere Ergebnisse unserer Forschungsgruppe, dass der Verlust von Genen ein wichtiger evolutionärer Mechanismus ist.“

Dieser Beitrag basiert auf der Pressemitteilung des MPI-CBG.

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Genes lost during the transition from land to water in cetaceans highlight genomic changes associated with aquatic adaptations.
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