Forschung am Lehrstuhl Biologie I
Evolution, Verhalten und Genetik
Schwerpunkte der zur Zeit am LS Biologie I
bearbeiteten Themen sind:
Lebewesen zeichnen sich durch eine enorme Vielfalt von Formen
und Lebensweisen aus - beispielsweise unterscheiden sich durchschnittliche
Körpergröße, Lebensdauer und Anzahl von Nachkommen zwischen verschiedenen
Tierarten um mehrere Zehnerpotenzen: während manche Milben sich
bereits im Mutterleib verpaaren und bereits schwanger geboren
werden, beginnen viele Wirbeltiere erst nach Jahren oder sogar
Jahrzehnten kostenintensiven Wachstums damit, sich selbst fortzupflanzen.
Die Ursachen für diese Bandbreite von "life histories" sind bis
heute nur unzureichend verstanden. Sie aufzuklären, ist somit
eine der zentralen Aufgaben der Evolutionsbiologie.
Am LS Biologie I der Universität Regensburg versuchen wir, exemplarisch
an einigen Modellorganismen die Evolution verschiedener Merkmale
und Verhaltensweisen nachzuvollziehen und zu verstehen, wie sich
Umweltbedingungen auf die Entstehung alternativer Lebensweisen
auswirken und welche adaptive Bedeutung diese haben. Vorhersagen
aus evolutionsbiologischen Modellen (Spieltheorie, Theorie der
Verwandtenselektion etc.) werden durch empirische Vergleiche zwischen
oder innerhalb von Arten und experimentelle Manipulationen überprüft.
Alle diese Fragestellungen berühren verschiedenste Gebiete der
Biologie: Evolutionsbiologie, Ökologie und Ökophysiologie, Verhaltensbiologie,
chemische Ökologie, Phylogeographie und Populations- bzw. Soziogenetik.
Entsprechend vielfältig sind die Methoden, die wir in unseren
Untersuchungen anwenden. Neben klassischer Freilandarbeit (in
Europa, Afrika, Nord- und Südamerika, Südostasien und Australien),
video- und computer-unterstützten Verhaltensbeobachtungen, Histologie
und Elektronenmikroskopie setzen wir molekularbiologische Methoden
zur Analyse von Verwandtschafts- und Abstammungsverhältnissen
(Enzym-Elektrophoresen, PCR, Mikrosatelliten-Analysen, Sequenzierung
von Kern- und mitochondrialer DNA) und Gaschromatographie / Massenspektrometrie
zur Aufklärung der chemischen Zusammensetzung von Signalen ein.
Weitere Bestandteile unserer Arbeit sind statistische und populationsgenetische
Auswertverfahren und Modellbildung bzw. Simulationen. Unser Interesse
gilt dem gesamten Tierreich. Die Tiergruppen an denen wir aber
hauptsächlich arbeiten sind:
Evolution und Struktur von Tiergemeinschaften
Ein Hauptaugenmerk der Evolutionsbiologie gilt Fragen zur Entstehung
von sozialen Gemeinschaften. Warum kooperieren Individuen, selbst
wenn kooperatives, altruistischen Verhalten Kosten für das Einzelindividuum
mit sich bringen? Soziale Insekten stellen dabei ein Extrem entlang
eines Kontinuums sozialer Organisationsformen dar. Hier verzichten
Individuen auf eigene Fortpflanzung, um anderen Individuen bei der
Aufzucht von Nachkommen zu helfen. Wir untersuchen Faktoren, die
solch kooperatives Verhalten begünstigen. Im Vordergrund stehen
dabei
Ameisen eine Tiergruppen, die sich in ihrer sozialen Organisation stark
mit anderen Tiergruppen zu ähneln scheinen, deren Ursachen aber aufgrund unterschiedlicher
Biologie und Abstammung verschieden sind.
Krebse stehen am anderen Ende des Sozialitäts-Kontinuums, wobei jedoch
Arten mit Brutpflege auftreten. Dies ermöglicht es, die Übergänge
sozialen Verhaltens zu studieren.
Von besonderer Bedeutung ist die Problematik des Konflikts zwischen
Gruppenmitgliedern. Da diese üblicherweise nicht genetisch identisch
sind, unterscheiden sie sich in ihren Fortpflanzungsinteressen.
Wie äußern sich die daraus resultierenden Konflikte und wie können
sie gelöst werden, ohne dass die Gruppe als ganze zerbricht?
Kollektive Krankheitsabwehr
Die Kolonien sozialer Insekten bieten geradezu optimale Bedingungen für Parasiten: ihre Wirte leben in grosser Zahl und Dichte in oft wohltemperierten Bauten zusammen. Da es sich weiterhin bei Insektenstaaten um Familienverbände handelt, sind alle Koloniemitglieder eng miteinander verwandt und den gleichen Parasiten gegenüber anfällig. Um diese Resource nutzen zu können, muss der Parasit zunächst in die Kolonie eindringen, sich dort etablieren und ausbreiten. Um dies zu verhindern, haben soziale Insekten viele prophylaktisch wirkende, wie auch bei Infektionsgefahr hochregulierbare, kollektive Abwehrmechanismen entwickelt. So kontrollieren sie beispielsweise von der Futtersuche rückkehrende Tiere auf Parasiten, putzen sich gegenseitig, und haben ein ausgeklügeltes Abfall-Management. In der kollektiven Krankheitsabwehr spielen solche Hygieneverhalten zusammen mit den physiologischen Immunsystemen der Einzeltiere, sowie deren Kontaktrate, eine sehr wichtige Rolle, um Epidemien der Kolonie abzuwehren..
Reproduktive Strategien und Taktiken
Individuen einer Art unterscheiden sich häufig hinsichtlich ihrer
Strategien, um ihren Fortpflanzungserfolg zu maximieren. Zum einen
gibt es Unterschiede zwischen den Geschlechtern. Männchen konkurrieren
in der Regel um Weibchen, die das limitierende Geschlecht darstellen.
Dies führt zu sexueller Selektion, bei der Weibchen sich wählerisch
Männchen aussuchen und Männchen untereinander um die Gunst der Weibchen
konkurrieren. Aber auch innerhalb der Geschlechter können sich Individuen
in ihren Fortpflanzungsstrategien unterscheiden. Diese Unterschiede
können auf einem genetischen Polymorphismus (z. B. im Falle von
evolutionsstabile Strategien) beruhen oder aber phänotypisch (verschiedene
Taktiken eines Individuums) bedingt sein. Fragen zur sexuellen Selektion
(z.B. Weibchenwahl und Männchenkämpfe bei Ameisen), evolutionstabilen
Reproduktionsstrategien (z.B. z.B. assoziiert mit Königinnen- bzw.
Männchenpolymorphismus) und phänotypisch plastischen Taktiken (z.B.
Arbeiter versus Geschlechtstier bei niederen Termiten) werden sowohl
bei
Ameisen untersucht. Da bei sozialen Insekten die Kolonie als weitere Selektionsebene
betrachtet werden muss, können die Ergebnisse unserer Untersuchungen
die gängigen Vorstellungen zur Entstehung und Bedeutung alternativer
reproduktiver Taktiken bei Tieren konzeptionell erweitern bzw. ergänzen.
Populationsgenetik
Die Populationsgenetik beschäftigt sich mit der Veränderung von
Allelfrequenzen innerhalb des Genpools einer Art. Die Fragestellungen
sind dabei verschiedener Natur. Bei
Ameisen können
durch die Analyse der Häufigkeit genetischer Marker (Allozyme, Mikrosatelliten,
AFLP)
Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb von Kolonien und Ähnlichkeiten
benachbarter Kolonien festgestellt werden. Außerdem kann mit solchen
Untersuchungen getestet werden, ob Paarungen innerhalb einer Population
zufällig sind (Panmixie), ob es Inzucht gibt oder ob die Population
geographisch oder
ökologisch strukturiert ist, was unter Umständen zur Artbildung führen könnte.
Dies wird an
Ameisen, und
Crustaceen gleichermaßen untersucht.
Phylogenie und Zoogeographie
Die Phylogenie oder Stammesgeschichte hat zum Ziel, evolutive Zusammenhänge
(Verwandtschaftsbeziehungen, Vorgänge der Artbildung) zwischen Taxa
zu klären. Dadurch wird die Erstellung einer Systematik ermöglicht,
die die tatsächlichen phylogenetischen Verhältnisse widerspiegelt.
Des weiteren können ökologische oder ethologische Besonderheiten
bestimmter Tiergruppen mit den jeweiligen Stammbäumen verglichen
werden, um festzustellen, ob sie mehrfach konvergent oder nur einmal
monophyletisch entstanden sind. Neben den klassischen Methoden der
Phylogenie, wie der vergleichenden Morphologie, verwenden wir molekulare
Methoden wie DNA-Sequenzierung von
Ameisen und
Crustaceen,
um die jeweiligen Stammbäume zu rekonstruieren. Auch intraspezifisch
werden Phylogenien von geographisch getrennten Populationen erstellt
(Phylogeographie). Dadurch kann festgestellt werden, ob und seit
wann diese Populationen isoliert sind und inwieweit allopatrische
Differenzierung stattfindet.
Chemische Ökologie
Das Tierreich ist voller Signale, die der Mensch
nicht wahrnehmen kann. Chemische Signale (Pheromone) spielen bei
sozialen Insekten eine entscheidende Rolle in der Aufrechterhaltung
des Staates. Kutikulare Kohlenwasserstoffe vermitteln offensichtlich
Linksrmation darüber, zu welcher Art oder Kolonie ein Individuum
gehört, aber auch darüber, welche Funktion es im Staat hat und
wie stark es sich fortpflanzt. Mit Hilfe von Gaschromatographie
und Massenspektrometrie werden die hieran beteiligten Substanzen
von Ameisen identifiziert. Die Chemorezeption biologisch aktiver Substanzen
wird durch elektrophysiologische
Methoden (EAG, GC-EAD) untersucht. Von besonderem Interesse
ist die Frage, inwieweit Kommunikation ehrlich ist ("honest signals")
oder ob die Möglichkeit zum "Betrug" und zur Manipulation besteht.
