Klimawandel: Rettende Epigenetik? - wissenschaft.de
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Umwelt+Natur

Klimawandel: Rettende Epigenetik?

Dreistachlige Stichlinge müssen sich in der Ostsee auf verschiedene Salzgehalte einstellen können. (Bild: Melanie Heckwolf/GEOMAR)

Der Klimawandel verändert die Ökosysteme rasant – bei Tieren ist deshalb schnelle Anpassungsfähigkeit gefragt. Inwieweit sie die sogenannte Epigenetik vermitteln kann, haben Forscher nun an Stichlingen untersucht. Ihr Fazit lautet: Diese „schnelle“ Form der genetischen Veränderung kann zwar einen positiven Beitrag zur Entwicklung leisten – „Anpassungswunder“ kann sie aber nicht bewirken.

Wer sich nicht anpassen kann, stirbt aus – dieses Prinzip gehört seit Jahrmillionen zum Spiel des Lebens. Doch der Mensch zwingt der Natur nun gleichsam unfaire Regeln auf: Das Klima auf unserem Planeten ändert sich mit einer Geschwindigkeit, für die es in der Erdgeschichte kaum Parallelen gibt. Vielen Organismen bereiten die entsprechend schnellen Veränderungen ihrer Umweltbedingungen große Probleme. Doch können sie sich vielleicht evolutionär auf die neuen Herausforderungen einstellen? Ob und wie sich Tiere und Pflanzen anpassen können, erforscht ein Wissenschaftlerteam am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel. In ihrer aktuellen Studie lag der Fokus auf der Bedeutung der „zweiten Ebene“ der Genetik – der Epigenetik.

Die Forschung der letzten Jahrzehnte hat gezeigt: Die Merkmale von Lebewesen beruhen nicht nur auf der Abfolge der DNA-Bausteine, sondern auch auf teils vererbbaren Kontrollmechanismen des genetischen Codes. Diese sogenannten epigenetischen Faktoren basieren unter anderem auf chemischen Schalter-Molekülen, die auf der DNA sitzen und bestimmen, wie aktiv eine Erbanlage ist. Diese genetischen Regelelemente können durch bestimmte Faktoren im Laufe des Lebens entstehen und dann über Generationen hinweg vererbt werden.

Schnelle Anpassungsfähigkeit durch Epigenetik?

Die epigenetischen Effekte haben dadurch eine etwas andere Bedeutung als Veränderungen der DNA-Basenabfolgen, erklärt Co-Autorin Britta Meyer von GEOMAR. Für Veränderungen in der genetischen Sequenz gilt: „Individuen mit bestimmten vererbbaren Merkmalen, die in der DNA gespeichert sind, können besser oder schlechter mit ihrer Umwelt umgehen. Diejenigen Individuen, welche optimal an ihre Umwelt angepasst sind, überleben besser und zeugen somit mehr Nachkommen. Langfristig setzen sich ihre in der DNA gespeicherten Eigenschaften dann durch. Diesen Prozess nennt man Selektion“, erklärt Meyer. Dieser Selektionsprozess benötigt allerdings vergleichsweise viel Zeit, die im Zuge des raschen Klimawandels immer knapper wird.

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Epigenetische Prozesse können hingegen schneller wirken. Sie aktivieren oder deaktivieren Bereiche des Erbgutes, die für bestimmte Eigenschaften eines Organismus verantwortlich sind. Wie die Forscher erklären, gibt es „stabile“ epigenetische Marker, die über die Selektion ähnlich zur Anpassung einer Art beitragen wie die DNA selbst. Daneben gibt es aber auch sogenannte „induzierbare“ Marker, die sich während des Lebens eines einzelnen Organismus ändern können. Geschieht dies in den Geschlechtszellen der Eltern, können sie auf Nachkommen übertragen werden. Dadurch kann der Nachwuchs sofort besser an veränderte Umweltbedingungen angepasst sein. Diese induzierbaren Marker wecken deshalb die Hoffnung, dass sie das Überleben von Organismen in Zeiten von schnellen Veränderungen sicherstellen können.

Inwieweit diese Hoffnung im Rahmen der klimatischen Veränderung begründet ist, haben die Forscher nun an Stichlingen in der Ostsee ausgelotet: Im Rahmen ihrer Studie haben sie epigenetische Faktoren untersucht und erfasst, inwieweit Nachkommen im Vergleich zu ihren Eltern an veränderliche Umweltbedingungen angepasst sind. Der Modellfaktor war dabei der Salzgehalt: Stichlinge müssen in verschiedenen Bereichen der Ostsee mit unterschiedlichen Salz-, Süß- und auch Brackwasserbedingungen zurechtkommen. Prognosen zufolge könnte im Zuge des Klimawandels der Salzgehalt der Ostsee steigen – mit möglicherweise kritischen Folgen.

Begrenztes Potenzial

„Um herauszufinden, welche genetischen und epigenetischen Wege der Anpassung der Stichling bisher genutzt hat, haben wir uns drei Stichlings-Populationen aus verschiedenen Regionen mit unterschiedlichen Salzgehalten angesehen“, erklärt Meyer. Konkret: Die Forscher erfassten durch Vergleiche der genetischen Sequenzen sowie der epigenetischen Merkmale der DNA quasi rückblickend, inwieweit diese Veränderungen verschiedene Populationen geprägt haben.

Es zeigte sich: Die Stichlings-Populationen unterscheiden sich tatsächlich in ihren genetischen und epigenetischen Mustern – was mit verschiedenen Toleranzen gegenüber Veränderungen des Salzgehalts verknüpft ist. Die genetischen und epigenischen Faktoren betreffen dabei etwa Erbanlagen, die mit der Regulation des osmotischen Drucks verknüpft sind. In einem weiteren Experiment über mehrere Stichlings-Generationen hinweg konnte das Team zeigen, dass induzierbare Marker tatsächlich zur Anpassung beitragen können. Aber: Der Beitrag ist geringer als erwartet, betonen die Wissenschaftler.

So kommen sie zu dem Fazit: Auch die Anpassungsfähigkeiten durch die Epigenetik sind begrenzt. „Wir müssen aufpassen, dass wir dieses spannende, jedoch wenig verstandene Forschungsfeld nicht als Retter der Arten im Klimawandel überinterpretieren“, sagt Co-Autorin Melanie Heckwolf. „Der Klimawandel ist und bleibt eine der größten Herausforderungen für einzelne Arten und ganze Ökosysteme. Die Gefahr lässt sich auch nicht mit den aktuellen Erkenntnissen in der Epigenetik wegdiskutieren“, so die Wissenschaftlerin.

Quelle: GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz1138

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