Ernährung lenkt Evolution: Futter baut Tiere von innen um

Du bist, was du isst: Futter baut Tiere von innen um

Eine Studie mit afrikanischen Buntbarschen zeigt, wie Ernährung die Evolution beeinflusst – bis hin zur Aktivität einzelner Darmzellen.

Ein Nussknacker sieht anders aus als ein Filetiermesser. Beide Werkzeuge sind für eine bestimmte Aufgabe gebaut. In der Natur funktioniert das ähnlich: Ein Fisch, der Algen von Steinen schabt, braucht ein anderes Maul als ein Räuber, der Beute packt.

Eine neue Untersuchung der Universität Basel zeigt nun, dass diese Anpassung noch viel tiefer reicht. Bei afrikanischen Buntbarschen verändert die Ernährung nicht nur Kiefer und Darmlänge, sondern auch die Zellstruktur im Darm. Was ein Tier frisst, formt also nicht nur sein Äußeres, sondern auch die biologische Arbeit im Inneren seines Körpers. Die Ergebnisse der Studie erschienen im Fachjournal Nature.

Im Tanganjikasee zeigt sich Evolution besonders deutlich

Der Tanganjikasee in Ostafrika gehört zu den bekanntesten Schauplätzen der Evolutionsforschung. Dort haben sich in relativ kurzer evolutionärer Zeit rund 250 verschiedene Arten von Buntbarschen entwickelt. Obwohl sie gemeinsame Vorfahren haben, leben sie heute sehr unterschiedlich und nutzen verschiedene ökologische Nischen.

Sie haben sich auf ganz unterschiedliche Lebensräume und Nahrungsquellen spezialisiert, die ihnen beim Überleben helfen. Einige Arten fressen Algen von Felsen, andere ernähren sich von Plankton. Wieder andere leben räuberisch und jagen kleinere Fische. Es gibt sogar Buntbarsche, die anderen Fischen Schuppen abfressen.

Diese Unterschiede in der Ernährungsweise lassen sich äußerlich am Maul erkennen. Ihre Kieferformen sind an die jeweilige Nahrung angepasst:

Algenfresser besitzen Strukturen, mit denen sie Beläge von Steinen abschaben können
Räuber haben kräftigere Maulpartien für tierische Nahrung
Schuppenfresser nutzen spezialisierte Kiefer, um Schuppen gezielt abzureißen

© Universität Basel Je nach Nahrung entwickelten die Buntbarsche unterschiedliche Maulformen – vom Algenschaber bis zum Fischjäger. © Universität Basel

Der Darm passt sich viel stärker an als gedacht

Auch die inneren Organe der Buntbarsche unterscheiden sich. Das Team um Dr. Antoine Fages, Prof. Dr. Patrick Tschopp und Prof. Dr. Walter Salzburger fand heraus, dass nicht nur die Darmlänge, sondern auch seine zelluläre Struktur davon abhängt, was der Fisch frisst. Bei den Buntbarschen im Tanganjikasee bedeutet das, dass sich neben der Zellanzahl auch die Genexpressionsprofile dieser Zellen veränderte. Das heißt, auch ihre molekulare Arbeitsweise passte sich an.

„Bisher wusste man wenig darüber, wie sich der Verdauungstrakt auf Ebene der Zellen und zellulärer Prozesse an die jeweilige Ernährung angepasst hat“, erklärt Erstautor Fages.

Die Forscher untersuchten dafür 24 verschiedene Buntbarscharten. Mithilfe moderner Einzelzell-Sequenzierung analysierten sie Darmzellen und prüften, welche Gene dort aktiv sind. So ließ sich erstmals nachvollziehen, wie eng Körperbau, Ernährungsweise und Zellstruktur miteinander verbunden sind. Zum ersten Mal verknüpften sie dabei diese Ebenen:

anatomische Merkmale wie Kieferform und Darmlänge
die ökologische Nische der jeweiligen Art
die Zusammensetzung der Darmzellen und ihre Genaktivität

Dadurch entstand ein deutlich präziseres Bild davon, wie Anpassung im Laufe der Evolution funktioniert.

Fleischfresser besitzen andere Zellen als Pflanzenfresser

Die Ergebnisse zeigen klare Unterschiede zwischen den Arten. Bei fleischfressenden Buntbarschen fand das Team mehr Zellen in der Darmschleimhaut, die auf die Aufnahme von Fetten und energiereichen Nährstoffen spezialisiert sind. Solche Zellen helfen dabei, tierische Nahrung effizient zu verwerten. Wer energiereiche Beute frisst, braucht andere biologische Werkzeuge als Arten, die Algen oder Plankton aufnehmen.

Pflanzenfresser wiederum müssen Nahrung verarbeiten, die schwerer aufzuschließen ist. Dafür sind andere Zelltypen und andere Abläufe im Verdauungstrakt nötig. Das Gewebe selbst verändert sich also mit der Ernährung. „Das deutet darauf hin, dass die ökologische Nische indirekt Einfluss auf die Spezialisierung von Zelltypen und damit auf die Zusammensetzung des Darmgewebes nimmt“, sagt Tschopp.

Warum manche Gene mehr Spielraum für Anpassung haben

Besonders spannend fanden die Basler Wissenschaftler, dass in diesen spezialisierten Darmzellen viele Gene aktiv sind, die evolutionär besonders flexibel sind. Das bedeutet: Veränderungen an diesen Genen können Anpassungen ermöglichen, ohne andere wichtige Prozesse im Körper stark zu stören. Dadurch entsteht mehr Spielraum für die Evolution.

Denn wenn ein Gen viele andere Abläufe beeinflusst, sind Veränderungen oft riskant. Bei den nun untersuchten Genen scheint dieser Druck geringer zu sein. Die Tiere können so schneller auf neue Umweltbedingungen oder neue Nahrungsquellen reagieren. Über viele Generationen entstehen daraus Unterschiede, die schließlich neue Arten hervorbringen.

Kurz zusammengefasst:

Was ein Tier frisst, formt nicht nur sein Verhalten oder seinen Körperbau, sondern auch die Zusammensetzung seiner Darmzellen und damit die Verarbeitung unterschiedlicher Nahrung.
Forscher der Universität Basel zeigten an Buntbarschen aus dem Tanganjikasee, dass die Fleischfresser unter ihnen andere spezialisierte Darmzellen besitzen als die Pflanzenfresser, weil ihr Körper andere Nährstoffe aufnehmen muss.
Die Studie liefert einen neuen Blick auf die Frage, wie Artenvielfalt entsteht. Denn sie macht deutlich, dass Ernährung nicht nur eine Folge, sondern selbst ein Motor der Evolution sein kann, weil sich Arten bis auf Ebene einzelner Zellen an ihre Nahrung anpassen.

Übrigens: So wie sich bei den Buntbarschen der Darm an neue Nahrung angepasst hat, verändert sich auch der Mensch bis heute durch seine Lebensweise weiter. Merkmale wie Haarfarbe, Körperbau oder Krankheitsrisiken entstanden beim Menschen nicht zufällig, sondern aufgrund von Evolution – mehr dazu in unserem Artikel.