Forschung am Lehrstuhl Biologie I
Evolution, Verhalten und Genetik

Schwerpunkte der zur Zeit am LS Biologie I
bearbeiteten Themen sind:

Evolution und Struktur von Tiergemeinschaften


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Soziale Evolution, Fortpflanzung und Alterung


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Reproduktive Strategien und Taktiken


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Populationsgenetik


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Phylogenie und Zoogeographie


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Chemische Ökologie


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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, RNAseq und RT-PCR für den Vergleich der Genexpression) 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:


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Ameise

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Krebs






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?
In diesem Zusammenhang stehen Vergleiche zwischen Arbeiterinnen klonaler Ameisen, die sich trotz gleicher Genetik, Morphologie, Ontogenese und Physiologie  in ihrem sozialen Status im Nest deutlich unterscheiden. Verhaltensbeobachtungen und experimentelle Manipulation der „frühkindlichen Erfahrung“ der Arbeiterinnen sowie Transkriptom-Analysen sollen helfen, die Ausbildung von Hierarchien zwischen gleichalten und genetisch identischen Individuen zu verstehen.





Soziale Evolution, Fortpflanzung und Alterung

Bei vielen einzeln lebenden Organismen ist intensive Fortpflanzungstätigkeit mit einer verringerten Lebensdauer verbunden. Desweiteren ist von einigen Insektenarten bekannt, dass bereits die Paarung sich negativ auf die Lebenserwartung eines Weibchens auswirken kann.  Bei Ameisen und anderen mehrjährigen sozialen Insekten ist dies anders: voll fertile Königinnen leben länger als weniger fertile Königinnen oder die nicht-reproduktiven Arbeiterinnen, und die Lebensdauer unverpaart gebliebener Königinnen ist signifikant kürzer als die von verpaarten Königinnen und das selbst wenn ihre Partner vorher durch Bestrahlung sterilisiert worden waren. Wir kombinieren empirische Vergleiche der Lebensdauer und des reproduktiven Erfolgs von Ameisenköniginnen mit Untersuchungen zur Genexpression kombiniert, um die Ursache für diese für Tiere ungewöhnlichen Zusammenhänge zu ermitteln.





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 Information 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.