Der extrem bittere Geschmack der Heliconius-Schmetterlinge macht sie für Vögel ungenießbar. Die natürlichen Räuber lernen daher, das typische Muster der Flügel als Signal für den schlechten Geschmack zu meiden. „Das Interessante an diesem Muster der Schmetterlinge ist ihre Bedeutung für die Müllersche Mimikry. Alle im Farbmuster konvergierenden Arten sind toxisch oder zumindest ungenießbar. Grund für die Anpassung des Farbmusters ist der evolutionäre Druck. Je mehr Individuen und Arten in einem sogenannten Mimikry-Ring beteiligt sind, desto größer die Chance des Einzelnen, nicht gefressen zu werden“, so Markus Möst, der den Effekt eingehend studiert. Die Arten mit dem selben Muster sind zum Teil nur weitläufig miteinander verwandt, wobei auch eine evolutionär weit entfernte Motte das Muster angenommen hat. „Durch Mutation ist es den unterschiedlichen Arten gelungen, sich aneinander optisch anzugleichen und sie fangen an, von diesem Schutz zu profitieren. Denn, je ähnlicher sie sind, desto eher sind sie geschützt und desto mehr können sie reproduzieren. Die Chance auf mehr Nachkommen mit dem selben Phänotyp ist dadurch höher und durch weitere Mutationen kommt die evolutionäre phänotypische Konvergenz zustande“, erklärt der Evolutionsökologe, der weiters veranschaulicht, dass diese Schmetterlinge einen sehr getragenen Flug haben, um so ihr Muster den natürlichen Räubern klar zu signalisieren.
Diversität der Arten im „Dennis-Ray“ Mimikry Ring im Amazonas. Verschiedene Arten und Gattungen haben beinahe identische Flügelmuster.
(Bild: Die abgebildeten Schmetterlinge aus Peru und Ecuador stammen aus der Neukirchen Kollektion, McGuire Centre, Florida. Abbildung aus: Wallbank RWR, Baxter SW, Pardo-Diaz C, Hanly JJ, Martin SH, Mallet J, et al. (2016) Evolutionary Novelty in a Butterfly Wing Pattern through Enhancer Shuffling.)
Wie diese Muster genetisch codiert sind, ist dem Wissenschaftler bereits aus zahlreichen vorhergehenden Untersuchungen von Kolleginnen und Kollegen relativ genau bekannt. Auch wurden vier Stellen im Genom, sogenannte Genloci, die für das typische Muster verantwortlich sind, identifiziert. „Ein Locus für das rote Muster, einer für das gelbe Muster, einer definiert die Form des Bands am Vorderflügel und einer kann das Gelb im Muster in Weiß umschalten“, erklärt Möst. Diese vier Loci und ihre Evolution sind das Hauptinteresse des Ökologen, der sich genau ansehen möchte, wie sie entstanden sind und in welchen Arten sie durch Mutation oder zum Teil auch durch zwischenartlichem Austausch von regulatorischen Modulen verändert haben. Notwendig wird dies durch Änderung im Selektionsdruck, der auf die Muster ausgeübt wird. „Damit ist die Einwirkung von Selektionsfaktoren wie beispielsweise Umwelteinflüsse auf eine Population gemeint. Die Anpassung an Veränderungen wird so für Lebewesen, im konkreten Fall für Schmetterlinge, notwendig“, veranschaulicht der Wissenschaftler. „Die Selektion auf einen Locus heißt auch, dass eine Variante gefördert wird und eine andere nicht. Eigentlich arbeitet dieser Mechanismus gegen die Diversität in einer Population, denn es wird in der Regel das behalten und weitervererbt, was vorteilhaft ist und Störendes ausselektioniert.“ Die verschiedenen Varianten, die unterschiedlich selektioniert werden, können in einer Population einerseits durch Mutation neu entstehen, in manchen Fällen durch Hybridisierung und Introgression aber auch von nah verwandten Arten übernommen werden. Das ist auch von den Flügelmustervarianten in einigen Heliconius-Arten bekannt und wird nun genauer untersucht. Auch die Anpassung der auf dem Tibetischen Hochplateau lebenden Menschen an die extreme Höhe ist einer sogenannten adaptiven Introgression eines Gens von den Denisova-Menschen geschuldet. Markus Möst hat die Untersuchungen an Selektion und Flügelmustermimikry bei Heliconius Schmetterlingen während seines Aufenthalts als Schrödinger-Stipendiat an der University of Cambridge gemeinsam mit Simon H. Martin in der Gruppe von Prof. Chris D. Jiggins durchgeführt und setzt diese Forschung nun in der Gruppe Molekulare Ökologie am Institut für Ökologie in Innsbruck fort.
Selektion am Wasser
Diese Erkenntnisse und Methoden der Forschung an Heliconius-Schmetterlingen sollen auch auf die heimischen Daphnien, die in den Alpenrandseen lebenden Wasserflöhe, angewandt werden. „Hier kennen wir eine Art, die seit der Eiszeit in den Alpenrandseen heimisch ist. Sie ist angepasst an die sehr geringen Nährstoffgehalte und die damit verbundene geringe Fischanzahl“, so Möst, der erklärt, dass diese Seen bei ihrer Entstehung nicht viel mehr als ein mit Wasser gefülltes, felsiges Becken in einem vegetationsarmen Einzugsgebiet waren und ihre Produktivität damit entsprechend gering war. Durch die Eutrophierung, also die Einleitung von ungeklärten Abwässern in diese Seen, hat sich das ökologische Gleichgewicht verändert: Die Nährstoffe und die Fischproduktion sind gestiegen. „Dadurch haben andere Arten, die auch vorher schon in nährstoffreicheren Gewässern gelebt haben, begonnen, in die Alpenrandseen einzudringen. Bedingt durch den Kontakt mit den bis dahin heimischen Arten wurden Hybride gebildet“, erklärt der Ökologe, der sich dafür interessiert, ob diese Arten kollabieren oder ob die drei Arten bestehen bleiben, nur mit mehr Genfluss zwischen ihnen. „Interessant ist auch die Frage, ob die ausgetauschten Gene adaptiv sind, also ob sie bei der Anpassung an die ökologischen Veränderungen helfen können“, sagt Möst. Die von den Wasserflöhen abgelegten Dauereier, die sogenannten Ephippien, können anstatt in den Uferregionen auch in tiefere Sedimente im See absinken. In diesem Fall erhalten sie nicht die notwendigen Schlüpfsignale im Frühjahr und bleiben liegen. Möst kann diese Eier aus den tieferen Bereichen nützen, um die Geschichte zu rekonstruieren und zu analysieren, welche Art wann und wie viel Hybridisierung erfahren hat. „Dies funktioniert vor allem für den Zeitraum der Eutrophierung der letzten 100 Jahre sehr gut“, so der Wissenschaftler. Diese Untersuchungen sollen in einem im Frühjahr startenden vierjährigen FWF-Projekt durchgeführt werden.
