Evolution: Projekt "1KITE" erforscht Stammbaum der Insekten

Der phylogenetische Stammbaum der artenreichsten Organismengruppe, der Insekten, soll in einem großen internationalen Forschungsprojekt „1K Insect Transcriptome Evolution“ anhand der Gen daten von 1.000 (1K) Insektenarten aufgeklärt werden. Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien liefert dazu das Computerprogramm.

In einem bisher einmaligen interdisziplinären Projekt haben sich Wissenschaftler aus acht Ländern - Deutschland, China, USA, Österreich, Japan, Australien, Neuseeland und Mexiko - zusammengeschlossen, um die Evolution der artenreichsten Organismengruppe, der Insekten, aufzuklären. Mithilfe von „next generation sequencing“-Technologien und neuer Computerprogramme werden die Transkriptome, das heißt die Gesamtheit aller exprimierten Gene, anhand ihrer ESTs („expressed sequence tags“) von tausend sorgfältig ausgewählten Arten aus allen großen Insektengruppen identifiziert. Die aus den Sequenzierungen gewonnenen Informationen werden - in Verbindung mit den verfügbaren Daten aus den Bereichen der Morphologie, Embryologie, Molekularbiologie sowie Taxonomie und Paläontologie - zur Berechnung der Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Insekten eingesetzt.

Sprecher des Gesamtprojektes sind Prof. Dr. Bernhard Misof, Leiter des Zentrums für Molekulare Biodiversitätsforschung am Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig (ZFMK) in Bonn (wo sich auch das 1KITE-Sekretariat befindet und die Koordination der Sammlung und Auswahl der zu untersuchenden Insektengruppen erfolgt), Prof. Dr. Karl Kjer, Entomologe an der Rutgers University in New Brunswick, NJ, USA, sowie dessen Schüler Prof. Xin Zhou vom Beijing Genomics Institute in Shenzhen, China, wo die Transkriptomsequenzierungen durchgeführt werden. Die Bearbeitung der einzelnen systematischen Gruppen und ihrer phylogenetischen Fragestellungen erfolgt durch renommierte Experten an den fünfzehn beteiligten Forschungsinstituten.

Dr. Alexandros (Alexis) Stamatakis im Garten des HITS © HITS

Die Forschungsgruppe „Scientific Computing" von Dr. Alexandros Stamatakis am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wird die Phylogenese der tausend Insektenarten im „1 K Insect Transcriptome Evolution" (1KITE) Projekt mit Hochleistungscomputern und selbst entwickelten Computerprogrammen berechnen. Als einer der Koordinatoren des Gesamtprojektes ist Stamatakis auch mit der Entwicklung neuer Bioinformatik-Methoden befasst. Er betont, dass "die Produktion von neuen Daten mit so enormer Geschwindigkeit zunimmt, dass die Analyse und Aufbewahrung dieser Daten eine der größten Herausforderungen für die nächste Zukunft darstellt".

Ordnung bringen in die Vielfalt

Kopf einer Kleinlibelle (Coenagrion-Männchen) mit riesigen Augen. © Johannes Dambach, ZFMK

Niemand weiß, wie viele Insektenarten es gibt. Auf dem Internationalen Entomologen-Kongress 2000 in Brasilien wurden die führenden Insektenforscher (Entomologen) der Welt befragt, wie hoch sie die Artenzahl auf unserem Planeten schätzen würden. Die meisten nannten zwischen acht und fünfzehn Millionen - mindestens 90 Prozent davon der Wissenschaft bisher unbekannt. Nicht einmal über die Zahl der bereits beschriebenen Arten besteht Einigkeit; es sollen zwischen 800.000 und 1,2 Millionen sein. Diese Unsicherheit liegt aber nicht an der Unfähigkeit zu zählen oder am Chaos in den Archiven, sondern an dem immer größer werdenden Mangel an Experten, die sich in der überwältigenden Fülle der Insektengruppen so weit auskennen, dass sie die Sammlungen ordnen, Bekanntes von Unbekanntem trennen und Doppelbeschreibungen erkennen können. Zusätzlich sollen diese wenigen Kenner dann auch noch aus der ständig eingesandten Flut an vermuteten Neuentdeckungen die tatsächlich neuen Arten identifizieren und beschreiben.

Die Analyse der Verwandtschaftsbeziehungen zwischen großen systematischen Gruppen ist ohne Computer nicht zu bewältigen. Verschiedene Computerprogramme zur Rekonstruktion von Stammbäumen sind entwickelt worden. Die zeitweise sehr heftige Auseinandersetzung, nach welchen Kriterien dabei vorzugehen sei, ist inzwischen mit der ständig fortschreitenden Verbesserung der Methoden weniger polemisch geworden.

Stamatakis und seine Arbeitsgruppe verwenden für ihre Berechnungen der Insektenstammbäume statistische Methoden nach dem Prinzip der „maximum likelihood". Hierbei errechnet der Computer dasjenige Verzweigungsmuster, das die größte Wahrscheinlichkeit hat, zu der Merkmalskombination der untersuchten systematischen Gruppe zu führen. Das Labor der Scientific Computing-Gruppe am HITS hat Stamatakis  „Exelixis" getauft, das griechische Wort für Evolution. Nach seinen Worten versuchen er und seine Mitarbeiter „die Lücke zwischen der Welt der Systematik und der Welt des Hochleistungs-Computing zu überbrücken."

Stammbäume werden rekonstruiert

Sminthura spec., ein Springschwanz (Ordnung Collembola), ein ursprüngliches, flügelloses Insekt. Lebendgröße etwa 1 mm. © Discoverlife.org
Genoms equenzen sind hervorragend für die Erstellung von Stammbäumen geeignet, da es sich um eindeutige quantifizierbare Merkmale handelt. Die für eine phylogenetische Rekonstruktion verwendeten Sequenzen oder Genom anordnungen müssen dabei lang genug sein, dass eine zufällige Übereinstimmung (Konvergenz) praktisch ausgeschlossen werden kann. Natürlich können im 1KITE-Projekt nur Sequenzen rezenter (heute lebender) Arten erfasst werden, um die Verwandtschaftsverhältnisse der Insekten zu analysieren.

Um den tatsächlichen oder wahrscheinlichen Stammbaum zu rekonstruieren und den Zeitrahmen abzustecken, in dem die Evolution stattgefunden hat, kommt man aber um die Einbeziehung der Fossil funde nicht herum. Auch „molekulare Uhren", die auf der Basis von Mutation sraten die Evolutionszeit ermitteln, müssen anhand der paläontologischen Nachweise kalibriert werden.

Die Suche nach dem korrekten Stammbaum ist auch mithilfe des Computers noch extrem schwierig und erfordert zahlreiche Zusatzannahmen. Wie Professor Dr. Michael Wink von der Universität Heidelberg in seiner Einführung in die molekulare Evolutionsforschung (in V. Storch, U. Welsch, M. Wink: „Evolutionsbiologie, Springer Verlag 2007) schreibt: „Bei einem Sequenzdatensatz von 50 Arten sind theoretisch bereits 2,8 x 1074 Stammbäume möglich, also mehr Bäume als Atome im Universum... Bedingt durch die Komplexität müssen die mathematischen Verfahren deshalb vereinfacht und die Kombinationsmöglichkeiten von vorneherein limitiert werden." Dennoch lässt sich die Evolution der Tiergruppe mithilfe von Computersimulationen mit hoher Verlässlichkeit rekonstruieren, wenn sich die vereinfachenden Annahmen auf Wissen und Erfahrung entsprechender Experten stützen.  

Wie ist der Insektenflügel entstanden?

Eines der großen Probleme, die durch 1KITE geklärt werden sollen, betrifft die Abstammung der geflügelten Insekten (Pterygota), die heute die Welt beherrschen, von urtümlichen flügellosen Formen. Von diesen primitiven, zumeist sehr kleinen, unscheinbaren „basalen Hexapoden“ gibt es heute noch fünf Gruppen, deren Verwandtschaftsverhältnisse umstritten sind. Ihre bekanntesten Vertreter sind die Springschwänze, die man oft als schwärzliche hüpfende Punkte an Bachufern beobachten kann, und die Silberfischchen, die man eher nicht so gern in dunklen Ecken von Küchen und Vorratskammern findet. Von beiden Gruppen hat man Fossil ien in 400 Millionen Jahre alten Ablagerungen aus dem Devon gefunden. Sie haben sich seit der Zeit, als die Pflanzen das nackte Land besiedelten, morphologisch kaum verändert, können daher zu Recht als „lebende Fossil ien“ bezeichnet werden.

Nemoptera bipennis, ein Fadenhaft (Ordnung Neuroptera) mit Schmetterlings-ähnlichen Flügeln. © Ekkehard Wachmann, ZFMK

Insekten mit Flügeln sind erst wesentlich später im Karbon nachgewiesen. Neben Eintagsfliegen und Libellen-artigen Formen gab es auch schon Vertreter modernerer Ordnungen (Schaben, Heuschrecken, Kamelhalsfliegen). Man hat bisher keine direkten Verbindungsglieder zwischen flügellosen und geflügelten Insekten gefunden, eine Lücke, die prompt von den Kreationisten als Beleg angeführt wurde, dass keine Evolution stattfindet.

Unter den Insektenforschern gab es lange heftigen Streit, ob die Insektenflügel aus seitlichen Ausstülpungen des Rumpfes oder aus dem Kiemenast der verzweigten Extremitäten wasserlebender Gliederfüßler entstanden sind. Untersuchungen der Gene tik und Embryologie primitiver Fluginsekten  sowie die neue Entdeckung des über 300 Millionen Jahre alten Fossil s einer primitiven im Wasser lebenden Nymphe mit flügelartigen Kiemen in allen Rumpfsegmenten haben die Mehrzahl der Wissenschaftler inzwischen von der „Kiementheorie" überzeugt. Aus den Transkriptomanalysen der an der Basis der Pterygota stehenden Libellen erhofft man sich weitere Hinweise auf die Herkunft der Insektenflügel. 

Zahlreiche weitere 1KITE-Teilprojekte befassen sich mit den Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der großen Gruppen der Pterygota. Erst in jüngster Zeit hatten Merkmalsanalysen gezeigt, dass die Termiten, die bisher als eigene Ordnung innerhalb der Insekten mit unvollständiger Metamorphose angesehen worden waren, tatsächlich tief innerhalb der Schaben verwurzelt sind. Weitere überraschende neue  Erkenntnisse von Verwandtschaftsbeziehungen kann man erwarten, wenn die Stammbäume der einzelnen Gruppen aus den umfangreichen Datenmengen des 1KITE-Projekts rekonstruiert werden.

Biodiversitätsforschung

Die Aufklärung des Stammbaums und die korrekte Klassifizierung der großen Insektengruppen ist eine notwendige Voraussetzung zur Beantwortung elementarer Fragen der Evolutionsbiologie, Ökologie und Biodiversitätsforschung, die von der Bundesregierung im „Internationalen Jahr der Biodiversität 2010“ als Forschungsschwerpunkte identifiziert und in einem Bundesprogramm zur Diversitätsforschung von BMBF und BMU gemeinsam im Rahmen der „Nationalen Strategie zur Biologischen Vielfalt“ gefördert werden. Auch die Europäische Union hat in der sogenannten „Potsdam Initiative“ eine globale Studie „The Economics of Ecosystems and Biodiversity (TEEB)“ veranlasst, in der die entscheidende Rolle der Insekten für die meisten Ökosysteme der Erde und die Notwendigkeit der genauen Kenntnis ihrer systematischen Zusammenhänge betont werden. Viele Insektenarten haben für den Menschen eine immense wirtschaftliche und medizinische Bedeutung, zum Beispiel als Bestäuber von Blütenpflanzen, als Überträger von Krankheiten, als Schädlinge oder Schädlingsbekämpfer. Mit dem 1KITE-Projekt erhofft man sich auch Antworten auf die Fragen, warum gerade die Insekten ökologisch so erfolgreich sind und wie ihre enorme Artenvielfalt entstanden ist.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Morphologie ist die Lehre von der Struktur und Form der Organismen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Die Vielfalt von auf der Erde vorkommenden Lebewesen und den unterschiedlich vorkommenden Ökosystemen wird als Biodiversität bezeichnet. Biodiversitätsforschung beschäftigt sich mit dem Einfluss der in einem speziellen Ökosystem vorkommenden Lebewesen auf die Umwelt.
  • Als Ökosystem wird das Zusammenleben zwischen den Lebewesen in ihrer Umwelt bezeichnet.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Seiten-Adresse: https://www.bio-pro.de/de/fachartikel/evolution-projekt-1kite-erforscht-stammbaum-der-insekten/