Evolutionsforschung

Fische sehen blau

Wie Tiere die Welt sehen und wie sich ihre Farbwahrnehmung entwickelt hat, stellt Biologen von jeher vor Rätsel. Mit der Entdeckung eines neuen visuellen Gens zeigen nun Basler Forscher, dass die Gene für die Farbwahrnehmung bei Fischen einen seltenen Weg der Evolution gegangen sind: Duplizierte „Schwester-Gene“ bleiben nämlich über lange Zeit gleichartig, statt sich auseinanderzuentwickeln.

Stachelmakrelen sind eine von vielen Fischgruppen, die drei Opsin-Gene zur Wahrnehmung von Blautönen besitzen. (Foto: Tane Sinclair-Taylor)

Die meisten Tiere sehen die Welt anders als die Menschen. So haben Fische komplexe visuelle Systeme entwickelt, um mit den unterschiedlichen Lichtbedingungen unter Wasser – von den schwarzen Abgründen der Tiefsee bis zu den kristallklaren Gewässern der Bergseen – zurechtzukommen. Diese Anpassungen sind unter anderem auf Duplikationen der Farbwahrnehmungsgene, der sogenannten Opsine, zurückzuführen. Während Menschen drei davon besitzen, um optimal im roten, grünen und blauen Bereich zu sehen, weisen Fische bis zu neun verschiedene Opsine auf, um vor allem Farben im blauen und grünen Bereich des Farbspektrums wahrnehmen zu können. Wie genau sich diese Vielzahl an Opsin-Genen entwickelt hat, blieb allerdings lange ungeklärt.

Einem internationalen Team um den Evolutionsbiologen Prof. Walter Salzburger von der Universität Basel ist es nun gelungen, die genetischen und evolutionären Grundlagen der blauen Opsin-Gene der Fische aufzuklären. Bisher wurde angenommen, dass Fische höchstens zwei Gene besitzen, um blaue Farben wahrzunehmen. Die Entdeckung eines zusätzlichen Gens und die Erforschung der evolutionären Geschichte der blauen Opsin-Genfamilie bei Fischen gibt nun Aufschluss über einen besonderen Mechanismus der molekularen Evolution.

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„Abgestimmte“ Evolution
Biologische Evolution beruht im Allgemeinen auf der Veränderung von Genen durch Mutationen. Da diese zufälligen Mutationen in regelmäßigen Abständen erfolgen, lassen sich über die Mutationsrate das Alter und die evolutionäre Geschichte von Genen erforschen. Der Zeitpunkt und die Funktion von Gen-Duplikationen kann beispielsweise anhand der Mutationsrate und der genetischen Unterschiede zwischen „Schwester-Genen“ eruiert werden.

Die Basler Forscher konnten nun zeigen, dass im Fall der blauen Opsine bei Fischen die Mutationsrate keine Aufschlüsse auf ihre evolutionäre Geschichte zulässt. Stattdessen fanden sie, dass die blauen Opsine durch einen besonderen Mechanismus der molekularen Evolution über Jahrmillionen einander ähnlich bleiben, anstatt allmählich zu divergieren. Diese „abgestimmte“ Evolution basiert auf dem Eintausch von ganzen Abschnitten zwischen den Opsin-Genen, was die Bestimmung ihrer Herkunft und ihres Alters enorm erschwert.

100 Fischarten analysiert
Die Forscher kamen dieser Form der Evolution erst durch eine eingehende Analyse der Genome von beinahe 100 Fischarten auf die Spur. Überdies konnten sie zeigen, dass dieser Mechanismus auch dazu führen kann, dass untaugliche Gene durch den Eintausch von noch funktionierenden Abschnitten wiederbelebt werden können. Im Fall des neuen Gens führt die „abgestimmte“ Evolution dazu, dass zwei der drei blauen Gene nur einen kleinen Unterschied im optimalen visuellen Bereich aufweisen. Allerdings wiesen die Basler Forscher nach, dass das neue Gen eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von juvenilen zu adulten Stadien bei Fischen spielt. „Einmal mehr zeigen diese Ergebnisse, wie wichtig es ist, Gene über die größtmögliche Anzahl von Arten zu erforschen, um einen vollständigen Einblick in ihre Evolution zu gewinnen“, kommentiert Erstautor Dr. Fabio Cortesi die Befunde.

Originalbeitrag:
Fabio Cortesi, Zuzana Musilová, Sara M. Stieb, Nathan S. Hart, Ulrike E. Siebeck, Martin Malmstrøm, Ole K. Tørresen, Sissel Jentoft, Karen L. Cheney, N. Justin Marshall, Karen L. Carleton, and Walter Salzburger: Ancestral duplication and highly dynamic opsin gene evolution in percomorph fishes. PNAS (2014), DOI: 10.1073/pnas.1417803112.

Weitere Auskünfte:
Prof. Walter Salzburger
Universität Basel, Departement Umweltwissenschaften, Fachbereich Zoologie, E-Mail: walter.salzburger@unibas.ch.

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