Senckenberg Forschung

Genome erzählen die Geschichte der Braun- und Eisbären

 

 Eisbärin mit Jungem
Eisbärin mit Jungem (Foto: Alan Wilson)

 

Braun- und Eisbären sind an sehr unterschiedliche Lebensräume angepasst und doch eng miteinander verwandt. Wissenschaftler des Biodiversität und Klima Forschungszentrum (BiK-F) fanden durch Genomanalysen heraus, dass sich ihre Wege erst vor 800- 480.000 Jahren trennten. Jedoch kamen sie sich in den Warmzeiten wieder näher.

Braunbär
Braunbär in Finnland (Foto: Alexander Kopatz)

Eis- und Braunbären sind die größten Landraubtiere unserer Zeit und faszinieren den Menschen durch ihre Kraft und Eleganz. Ihre große Ähnlichkeit zueinander lässt auch Laien erkennen, dass diese Bären nahe miteinander verwandt sind. Während der Braunbär jedoch ein Generalist ist, der temperate Klimazonen bevorzugt und von Fisch, Hasen, Kadavern, Beeren und Wurzeln lebt, hat sich der Eisbär nicht nur an die unwirtliche Arktis anpassen können, sondern diese auch zu seinem bevorzugten Lebensraum gemacht. Außer Robben und kleineren Walen gibt es für ihn dort nicht viel zu fressen, und entsprechend spezialisiert ist seine Speisekarte.

Eine spannende Frage ist: „Wie und wann hat sich der Eisbär in der Evolution von seinem Vetter entfernt und angepasst?“ In jüngster Zeit fragen sich zudem viele: „Wird der Eisbär den Klimawandel überleben?“

Die Geschichte des Eisbären ist nur schlecht durch Fossilien dokumentiert. Eisbären verbringen einen Großteil ihres Lebens auf dem arktischen Eis. Ihre Gebeine verschwinden in den Tiefen des Meers. In den 1960er Jahren konnte Björn Kurtén, ein finnisch-schwedischer Paläontologe, anhand morphometrischer Betrachtungen die Aufspaltung von Eis- und Braunbär nur grob auf 1 Million Jahre abschätzen. Genetische Studien wurden daher ungeduldig erwartet, um die Verwandtschaft und Aufspaltungszeit genauer berechnen zu können.

Eisbären als Teil der Braunbärpopulation
Eisbären erscheinen im mitochondrialen (mtDNA) Baum
als Teil der Braunbärpopulation, mit einer Aufspaltungszeit
vor 150.000 Jahren. ABC zeigt die Verwandtschaft
zu den Braunbären der ABC-Insel.

In den 1990er Jahren beruhten die ersten genetischen Studien zur Evolution der Bären auf Analysen von DNA- Sequenzen des mitochondrialen Genoms (mtDNA ). Lebewesen mit Zellkernen (Tiere, Pflanzen, Pilze) haben neben den Zellkernen noch ein kleines zusätzliches Genom in den Mitochondrien – Zellorganellen, die als Kraftwerke der Zellen bekannt sind. Deren Erbmaterial ist in zahlreichen Kopien vorhanden und einfach zu isolieren, wodurch die mtDNA in den 1990er Jahren zum Molekül der Wahl für Evolutions-Studien wurde.

Die stammesgeschichtliche Analyse von Teilen der mtDNA ergab eine große Überraschung, denn sie ließ vermuten, dass die Eisbären keine eigene Art sind. Vielmehr waren nach diesen Daten ihre nächsten Verwandten eine Gruppe von Braunbären, die heute auf den ABC-Inseln, einer Inselgruppe vor der Küste Alaskas, leben. Die genetische Datierung ergab außerdem ein unerwartet junges Alter von ca. 100.000 - 150.000 Jahren für die Trennung von Eis- und Braunbären.

Wir setzten es uns 2010 zur Aufgabe, die Anpassung an extreme Klimabedingungen zu studieren, und wählten das ungleiche Paar von Braun- und Eisbären als Objekt für genetische Studien. Die scheinbar rasche Anpassung des Eisbären an seinen extremen Lebensraum in nur 150.000 Jahren versprach spannende Ergebnisse. Die ultimative genetische Analyse ist der Vergleich von gesamten Genomen und deren drei Milliarden Bausteinen, da das Genom die gesamte Erbinformation und Evolutionsgeschichte eines Organismus codiert. Ein Genom vom Eisbären wurde 2011 sequenziert, aber niemand interessierte sich zu diesem Zeitpunkt für den Vergleich mit dem Braunbären. In der Epoche der Genomanalysen war es selbst für unsere kleine Gruppe (mit Dr. Frank Hailer, Dr. Björn Hallström, Verena Kutschera und Vikas Kumar) in Zusammenarbeit mit BGI (China) und BioForsk (Norwegen) möglich, im selben Jahr das gesamte Genom des Braunbären zu entschlüsseln. Dies war das erste deutsche Genomprojekt eines wildlebenden Säugetieres. Der Vergleich der ca. 24.000 Gene soll in den nächsten Jahren zeigen, welche Gene der Bären für ihre Anpassungen an den Lebensraum wichtig sind.

Eis- und Braunbären sind zwei verschiedene Arten

Grafik: Eis- und Braunbären sind zwei verschiedene Arten
Multi-Locus-Genanalysen zeigen die Eisbären als eine separate Art,
mit einer Aufspaltungszeit von ca. 600.000 Jahren. ABC – siehe Abb. oben.

Unsere ersten Analysen anhand von wenigen Genen bargen eine große Überraschung: Die DNA von Eis- und Braunbären unterschied sich an mehr Stellen, als es eine 150.000 Jahre lange Evolution erwarten ließ. Wir sequenzierten daher weitere Genorte für insgesamt 45 Bären, um dem unerwarteten Ergebnis genauer nachzugehen. Die Analyse ergab eine kleine Sensation: Eis- und Braunbären sind eindeutig zwei verschiedene Arten, die sich schon vor 600.000 Jahren trennten. Dieses Ergebnis überraschte selbst die Fachwelt und wurde im April 2012 zur Titelstory des renommierten Wissenschaftsjournals SCIENCE.

Die unterschiedlichen Ergebnisse der genomischen DNA- und mtDNA-Analysen lassen sich durch Hybridisierung von Braun- und Eisbär in der Eem-Warmzeit vor ca. 125.000 Jahren erklären. Zu diesem Zeitpunkt kreuzten sich Braunbärweibchen und Eisbärmännchen und vermachten die mütterlicherseits vererbte mtDNA ihren Nachkommen, wodurch Braunbär-mtDNA in die heutige Eisbärpopulation gelangte. Gerade dieses eingekreuzte Genmaterial wurde in mtDNAStudien untersucht und verfälschte die früheren Studien zur Evolution der Bären. Eis- und Braunbären hybridisieren auch heute noch und haben fertile Nachkommen. Es wird vermutet, dass die zunehmend späte Vereisung Eisbären zwingt, länger an Land zu bleiben, womit sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, auf paarungswillige Braunbären zu treffen. Diese Mischnachkommen (Hybride) sind als prizzly bears (polar bear/grizzly) oder auch grolars (grizzly/polar bear) bekannt.

Wir fanden durch den Vergleich der Genome von Braun- und Eisbären bisher ca. 150 Gene, die Zeichen von Anpassung (positiver Selektion) zeigen. Wir untersuchen nun, welche Funktion diese Gene und welche Verbreitung sie in Bären haben, um mehr über die Erblichkeit von Anpassungen zu lernen. Andere Forschungspartner (Örebro Universitätskrankenhaus, Schweden) sind an Bärengenen interessiert, die das Überwintern ermöglichen. Während der Überwinterung liegen Braunbären über viele Monate nahezu regungslos in Höhlen. Trotzdem zeigen Bären keine Zeichen von Muskel- oder Knochenschwund, während Raumfahrer und Bettlägerige nach schon 2 Wochen einen deutlichen Verlust an Muskelmasse und Knochendichte zeigen. Bären können sich zudem bis zu 50 % ihres Gewichtes an Körperfett anfressen und haben Cholesterinwerte, die beim Menschen gesundheitlich höchst bedenklich wären. Trotzdem zeigen Bären selbst in hohem Alter keine Arterienverkalkung (Arteriosklerose). Dies macht den Vergleich von Bärengenomen zu einem interessanten Forschungsfeld für Medizin und Raumfahrt.

Temperaturkurve der letzten 2 Millionen Jahre
Temperaturkurve der letzten zwei Millionen Jahre, basierend auf Analysen stabiler Isotope.

 Nach unseren Berechnungen trennten sich Braun- und Eisbär vermutlich im Cromer-Interglazial, einer Zwischeneiszeit vor 800 - 480.000 Jahren. Der Eisbär hätte dann drei warme Interglaziale überstanden. Allerdings ging dies auf Kosten der genetischen Variabilität, die geringer ist als die des Braunbären. Aufgrund schrumpfender arktischer Lebensräume ging vermutlich in jedem Interglazial die Zahl der Eisbären und damit die Menge an genetischer Variation zurück. Solche genetischen Flaschenhälse gefährden eine Art, weil geringere genetische Variabilität auch eine geringere Anpassungsfähigkeit an Veränderungen der Umwelt (Temperatur, Nahrung, Parasiten) bedeutet. Für das Überleben des Eisbären kommen heute die Anreicherung von Umweltgiften, die Jagd sowie der durch menschliche Nutzung der Arktis zusätzlich verkleinerte Lebensraum erschwerend hinzu.

 

 Autor

Dr. Axel Janke

Prof. Dr. Axel Janke kam 2010 von der Universität Lund (Schweden) an das BiK-F und die Goethe-Universität (Frankfurt). Als Genetiker ist er an der Evolution von Wirbeltieren, insbesondere der von Säugetieren, interessiert. Im Jahr 1994 veröffentlichte er die erste phylogenetische Analyse vollständiger mitochondrialer Genome, um die Evolution der Säugetiere zu verstehen. Zur gleichen Fragestellung veröffentlichte er 2007 zusammen mit Björn Hallström die erste phylogenomische Studie, in der 3000 orthologe Gene von 13 Genomen analysiert wurden. Heute studieren er und sein Team um Frank Hailer die Genetik der arktischen Anpassung. Die Analyse genomischer Sequenzen zeigte, dass Eisbären eine alte und separate Bärenlinie sind.

 

 

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