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Parallele Evolution bei Hausmäusen

Mäuse in Nordamerika veränderten Gene und Verhalten unabhängig voneinander

Hausmäuse
Hausmaus aus einer südlichen (links) und einer nördlichen Population. © UC Berkeley / Katya Mack

Parallele Anpassung: Die Hausmäuse der Ost- und Westküste Nordamerikas entwickelten unabhängig voneinander ähnliche Merkmale, wie Untersuchungen gezeigt haben. Demnach veränderten beide ihre Körpergröße und ihr Nestbauverhalten, um sich an Kälte anzupassen. Das Besondere: Dazu entstanden unabhängig voneinander gleiche Mutationen. Hinsichtlich anderer Umweltbedingungen entwickelten sich aber einzigartige Genomveränderungen der Mäuse.

Die Hausmaus (Mus musculus) verbreitete sich als Mitbewohner des Menschen bereits vor rund 15.000 Jahren in der Levante. Vor rund 6.500 Jahren schaffte dann eine Unterart den Sprung nach Osteuropa und etwa 2.000 Jahre später fand sich eine weitere Unterart der Hausmaus (Mus musculus domesticus) auch in Westeuropa. Diese kam mit der Eroberung Amerikas durch die Europäer auch über den Atlantik. Bei ihrer Ansiedlung in Nordamerika trafen die Mauspopulationen aber in einigen Regionen auf deutlich kältere Temperaturen als in der europäischen Heimat.

Wie passten sie sich an?

Wie passten sich die Populationen der Hausmaus an die Kälte an? Der Frage sind nun Wissenschaftler um Kathleen Ferris von der University of California in Berkeley nachgegangen. Dabei untersuchten und verglichen sie die körperlichen Anpassungen und genetischen Veränderungen der Mäuse in den nördlichen Gebieten der West- und Ostküste Nordamerikas mit denen von Populationen aus südlicheren Gefilden.

Dazu fingen die Forscher zunächst wilde Hausmäuse aus fünf Populationen entlang der Westküste Nordamerikas von Arizona bis Alberta ein und sequenzierten die Genome von 50 Mäusen. Rund 40 der gefangenen Mäuse züchteten sie im Labor weiter, um ihre körperliche Entwicklung zu beobachten. Die Ergebnisse glich das Team mit Daten von 50 Mäusen von der Ostküste ab, die ebenfalls kälteren Umweltbedingungen ausgesetzt waren.

Mäuse im Norden größer

Zunächst zeigte sich, dass die Hausmäuse in den beiden nördlichen Küstenregionen Amerikas tendenziell größer und kräftiger heranwuchsen als die Kontrolltiere aus dem Süden. „Mäuse vom 45. nördlichen Breitengrad sind etwa 50 Prozent größer als Mäuse vom Äquator“, so Ferris Kollege Michael Nachman. „Eine Maus vom Äquator wiegt etwa zwölf Gramm, eine Maus aus Upstate New York etwa 18 Gramm. Das ist ein großer Unterschied.“ Zudem stellten die Forscher fest, dass die „Nord-Mäuse“ auch doppelt so große Nester bauten wie ihre südlicheren Verwandten.

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Diese Unterschiede der Körpergröße und des Nestbaus sind laut Ferris und ihrer Kollegen Anpassungen an das kältere Klima. Denn nach der Klimaregel des Biologen Carl Bergmann sind Individuen von Populationen aus kalten Gebieten größer als ihre Artgenossen in den warmen. Der Grund: Ein großer Körper verliert über seine in Bezug auf sein Volumen relativ geringe Oberfläche weniger Wärme als ein kleiner.

Genetische Parallelen, aber auch Unterschiede

Interessant jedoch: Die Genanalysen ergaben, dass die Mäuse aus dem Nordosten und dem Nordwesten zwar beide größer waren und größere Nester bauten, aber nicht eng miteinander verwandt waren. Stattdessen waren beispielsweise die Hausmäuse aus New York enger mit anderen östlichen Mäusen verwandt als mit den nordischen Alberta-Mäusen. Letztere zeigten hingegen eine nähere Verwandtschaft mit anderen Mäusen von der Westküste als mit New Yorker-Mäusen.

Im nächsten Schritt untersuchten Ferris und ihr Team, welche genetischen Veränderungen diesen Anpassungen zugrunde liegen. Dabei identifizierten sie acht Mutationen in fünf Genen, die mit der erhöhten Körpergröße der Mäuse aus Alberta zusammenhingen. Bei den Hausmäusen an der Ostküste in New York fanden sie 16 gegenüber Mäusen aus Florida veränderte Gene. Viele dieser Gene waren an der Temperaturregulation beteiligt und bei beiden Nordpopulationen unabhängig voneinander auf die gleiche Weise verändert.

Neben den parallel an der Ost- und Westküste aufgetretenen Genveränderungen, identifizierte das Forschungsteam aber auch jeweils spezifische genetische Anpassungen der beiden Nordpopulationen. Dies führen die Wissenschaftler auf unterschiedliche regionale Bedingungen im Westen und Osten wie den Niederschlag oder die Bodenfarbe zurück. So hatten beispielsweise die westlichen „Nordmäuse“, als Anpassung an die feuchteren und dunkleren Böden eine dunklere Fellfarbe als die östlichen.

Vorhersagbare Evolution

Somit konnte nicht nur die parallele körperliche wie genetische Evolution der beiden Hausmäusepopulationen zur Anpassung an die Temperatur nachgewiesen werden. Sondern auch, dass die Anpassungen im Osten und Westen trotzdem zu jeweils einzigartigen genetischen Veränderungen führten. „Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass eine Mischung aus parallelen und einzigartigen Veränderungen sowohl auf phänotypischer als auch auf genetischer Ebene zu erwarten ist, wenn sich eng verwandte Populationen an parallele Breitengradienten anpassen“, resümierte das Team.

„Das wichtigste Resultat dieser Arbeit ist, dass es eine gewisse Vorhersagbarkeit der Evolution gibt, sowohl auf der körperlichen als auch auf der genetischen Ebene“, ergänzt Nachman. Zukünftig wollen Ferris und ihre Kollegen die Gene in Mauspopulationen gentechnisch verändern, um deren Beteiligung an Merkmalen wie der Körpergröße zu bestätigen. (PLOS Genetics, 2021, doi: 10.1371/journal.pgen.1009495)

Quelle: University of California – Berkeley

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