SENCKENBERG
world of biodiversity

Senckenberg Forschung

Evolutionsforschung
	Abb.: Charles Darwin "Stammbaum des Lebens" Bildquelle: Wikipedia, Gemeinfrei Biodiversität entsteht im Zuge der Evolution von Organismen. Viele SGN-Forscher arbeiten deshalb schwerpunktmäßig an evolutiven Fragestellungen. Evolution erfolgt durch die schrittweise Veränderung der vererbbaren Merkmale von Lebewesen von einer Generation zur nächsten. Diese Merkmale sind in Form von Genen codiert, die bei der Fortpflanzung kopiert und an den Nachwuchs weitergegeben werden. Spontane, zufällige Mutationen erzeugen Varianten (Allele) dieser Gene, die zu erblich bedingten Unterschieden zwischen Individuen führen. Bei Arten, die sich sexuell fortpflanzen, vergrößert die Vermischung (Rekombination) der elterlichen Gene die genetische Vielfalt zusätzlich. Evolution findet statt, wenn sich die Häufigkeit dieser Allele in einer Population ändert, diese Merkmale in einer Population also seltener oder häufiger werden. Dies geschieht entweder durch natürliche Selektion (unterschiedliche Reproduktionsrate) oder zufällig durch sogenannte genetische Drift. Die Beschreibung der Evolutionstheorie vor 150 Jahren durch Charles Darwin im Zuge der Aufklärung führte zu einem revolutionären neuen Weltbild. Evolutionsforschung am Deutschen Zentrum für Marine Biodiversitätsforschung (DZMB) Seit Jahren steht insbesondere die Erforschung der Organismen der Tiefsee im Fokus der Forschung am DZMB. Von besonderem Interesse sind Fragen, die sich mit der Entstehung und Evolution der Artenvielfalt in diesem bislang nur unzureichend erforschten Lebensraum beschäftigen: Welche evolutionären Prozesse führten zu der Vielfalt an Tiefseebewohnern? Welche morphologischen und genetischen Anpassungen besitzen Tiefseeor-ganismen im Vergleich zu Flachwasserarten? Die Beantwortung dieser Fragen hilft uns die enorme Diversität in diesem uns fremden Lebensraum besser zu verstehen. Dr. Jörg Habersetzer – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt Fledermäuse als aktiv fliegende Säugetiere sind nur ausnahmsweise fossil überliefert. Aus dem Weltnaturerbe Grube Messel dagegen sind etwa 700 Individuen aus vier verschiedenen Familien belegt. Die hervorragende Erhaltung von Mageninhalt, Innenohren und Flugapparat erlaubte Aussagen zur Lebensweise der eozänen Tiere. U.a. wurden mittels Mikro-Radiografien und Mikro-CT der Innenohren das Echoortungsvermögen nachgewiesen und im Vergleich mit amerikanischen und afrikanischen Einzelfunden die „flight-first“ Hypothese gestützt. Dr. Jörg Habersetzer – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt Abb.: http://journals.plos.org/plosone/article? id=10.1371/journal.pone.0005723 Darwinius masillae wurde als neue Gattung und Art von einem internationalen Forscherteam, dem die Frankfurter Wissenschaftler Dr. Franzen und Dr. Habersetzer angehörten, beschrieben. Das bisher weltweit vollständigste Primaten-Fossil stammt aus dem Welterbe Grube Messel und wurde mit verschiedenen Methoden u.a. Mikro-CT untersucht. Das Fossil („Ida“) löste eine international geführte Diskussion zur Evolution früher Primaten aus (48 Mio., Feuchtnasen vs. Trockennasenaffen). Die Orginalpublikation und alle hochauflösenden Abbildungen sind frei zugänglich (J. L. Franzen et al. PLoS ONE 4, e5723; 2009). PD Dr. Mona Hoppenrath – Deutsches Zentrum für Marine Biodiversitätsforschung (DZMB) Willhelmshaven Abb.: a) Warnowiide; b) Ocelloid; c, e) Nematocyten; D´d) Polykrikos kofoidii Einzellige Eukaryoten zeichnen sich durch eine unglaubliche Diversität aus. Dinoflagellaten sind eine Protistengruppe deren direkte Verwandtschaft sehr gut belegt ist. Die Evolution innerhalb der Dinoflagellaten ist völlig unklar und nur in Ansätzen verstanden. Unsere taxonomisch-systematische Forschung ist die Grundlage für phylogenetische Untersuchungen. Die Aufklärung der Merkmalsevolution soll zu einer möglichst natürlichen Klassifikation führen. Die Evolution komplexer Organellen (Nematocyten und Ocelloide), die morphologisch und molekular phylogenetisch rekonstruiert wird, ist ein Beispiel. Humanethologisches Filmarchiv – Frankfurt Es ist das weltweit größte Archiv biokultureller Diversität des Menschen: vor 50 Jahren von Eibl-Eibesfeldt begründet, dokumentiert es ungestelltes Alltagsleben von Menschen in aller Welt, vor allem in fünf kontinuierlich untersuchten Kulturen. 2014 Senckenberg anvertraut, wird diese einzigartige umfassende Dokumentation nun Forschungen verschiedenster Disziplinen zugänglich gemacht. Für unsere Arbeiten zur biokulturellen Evolution ist sie ein hervorragender Ausgangspunkt für die Erforschung des Zusammenspiels von Universalität und Diversität in Kultur und Verhalten des Menschen. Prof. DR. Axel Janke – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt und Senckenberg Biodiversität und Klima-Forschungszentrum (BiK-F) Langskalige evolutive Prozesse, wie der Ursprung der Säugetiere und Artbildung werden durch genomische Daten mit einer ungeheuren Präzision beschrieben. Wir untersuchen mit Sequenzanalysen und den Verteilungsmustern von mobilen genetischen Elementen Verwandtschaften, Artbildung und Genfluss bei Säugetieren. Die Genomdaten zeigen, dass Evolution nicht unbedingt ein bifurkaler Prozess ist, wie Darwin es vor 150 Jahren beschrieb. Insbesondere interessieren uns diese Prozesse bei Bären, Giraffen und Kängurus. Dr. Alexander Kieneke – Deutsches Zentrum für Marine Biodiversitätsforschung (DZMB) Willhelmshaven Abb.: Der Bauchärling Diplodasys meloriae aus Sand von Elba (16 m Tiefe). Links: Ventralseite, rechts: dorsal Bauchhärlinge (Gastrotricha) sind winzige aquatische Tiere, die in Meeressedimenten sowie in Süßwasserbiotopen leben und zur Lebensgemeinschaft der Meiofauna zählen. Als ursprüngliche Metazoengruppe spielen sie eine Schlüsselrolle beim Verständnis der frühen Evolution der Bilateria. Mithilfe morphologisch-phylogenetischer Techniken rekonstruieren wir die Merkmalsevolution von Organsystemen, um deren Bedeutung für Anpassungsprozesse zu verstehen. Mit der näheren evolutiven Vergangenheit ausgewählter Arten befassen sich phylogeografische Projekte, bei denen vorrangig molekulare Methoden zum Einsatz kommen. Prof. Dr. Sven Klimpel, Dr. Thomas Kuhn – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt und Senckenberg Biodiversität und Klima-Forschungszentrum (BiK-F) Abb.: Ice fish liver with nematodes Parasiten und Pathogene sind integrale Bestandteile eines jeden Ökosystems. Sie befallen kurzfristig oder temporär und mit schädlicher Wirkung andere Organismen wobei ihr Überleben nicht nur von der physiologischen Kapazität sondern auch in besonderem Maße von der genetischen Adaptionsfähigkeit an sich ändernde abiotische und biotische Faktoren, bestimmt wird. Anhand von phylo-genetischen und -geographischen, populationsgenetischen sowie genomischen Analysen untersuchen wir die co-evolutiven Zusammenhänge in Wirt-Parasit/Pathogen-Systemen entlang verschiedener Invertebraten- und Vertebratenklassen. PD. Dr. Ottmar Kullmer – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt Die Entstehung von verschiedenen Zahntypen im Gebiss gehört zu den selektiven Schlüsselentwicklungen in der Evolution der Säugetiere. Während des Känozoikums hat sich eine unglaubliche Vielfalt von Zahnformen mit spezialisierten Anpassungen herausgebildet. Wir untersuchen mit innovativen Computermethoden die Bisskontakte von Zähnen und vergleichen die strukturellen Anpassungen im Kauapparat mit funktionsmorphologischen und biomechanischen Bewegungs- und Belastungsanalysen, um die Einflüsse des Lebensraumes und der Nahrung in der Entwicklungsgeschichte der Menschen besser zu verstehen. Dr. Gerald Mayr – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt Das zehnte Skelettexemplar des Urvogels Archaeopteryx Arbeitsschwerpunkt der Sektion Ornithologie in Frankfurt ist die Großgruppensystematik und frühe Evolution der Vögel. Hierzu werden sowohl phylogenetische Analysen morphologischer Daten durchgeführt, als auch vergleichend-morphologische Untersuchungen fossiler Vögel (unter anderem aus der Grube Messel). Dr. Juraj Paule – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt UND Dr. Christiane Ritz – SENCKENBERG MUSEUM FÜR NATURKUNDE GÖRLITZ Abb.: Potentilla thuringiaca, Südtirol, Italien; Rosa inodora, Weißenberg, Deutschland Hybridisierung und Polyploidie (Vervielfachung von vollständigen Chromosomensätzen) spielen in der Evolution der Landpflanzen eine bedeutende Rolle. Beide Prozesse sind oft gekoppelt und können auch als „evolutionäre Sprünge“ verstanden werden. In polyploiden Hybriden wird sowohl das Genom als auch das Transkriptom sofort neu organisiert, was oft reproduktiver Isolation und damit auch Artbildung nach sich zieht. Wir arbeiten an Rosengewächsen als Modellsystem (Gattungen Potentilla und Rosa), um diese Phänomene mit populationsgenetischen und genomischen und transkriptomischen Methoden zu studieren. Prof. Dr. Markus Pfenninger – Senckenberg Biodiversität und Klima-Forschungszentrum (BiK-F) Sämtliche evolutionären Veränderungen nehmen ihren Anfang als Veränderungen von Häufigkeiten genetischer Merkmale in Populationen. Wir untersuchen mit populationsgenomischen und experimentellen Methoden neutrale und selektive Prozesse, die zur Anpassung an Umweltfaktoren, Entstehung von reproduktiver Isolation und damit zur Artbildung führen. Unser Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Auswirkungen räumlicher und zeitlicher Klimaunterschiede auf die genetische Zusammensetzung von Populationen. Als Modellorganismen für unsere Untersuchungen verwenden wir Zuckmücken, Schlammschnecken und Fische. Dr. Christian Printzen – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt Abb.: Letharia columbiana auf totem Kiefernzweig, Yosemite National Park, U.S.A. Flechten sind uralte, perfektionierte Lebensgemeinschaften zwischen Pilzen und Photosynthese treibenden Algen oder Cyanobakterien. Beide Partner können ohne den anderen meist nicht überleben. Ihre Evolution unterliegt deswegen ganz speziellen Einschränkungen. Die Sektion Kryptogamen untersucht mit den Methoden der Populationsgenetik, Ökologie und Stammbaumberechnung verschiedene Aspekte der Evolution von Flechtenpilzen und -algen, von der ökologischen Anpassung über die Artbildung bis hin zur Stammesgeschichte. PD Dr. Irina Ruf – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt Der Schädel der Säugetiere zeichnet sich durch bemerkenswerte evolutive Transformationen aus, die vor allem die Nasen- und Ohrregion betreffen. Mittels Histologie, Mikro-Computertomografie und virtueller 3D-Rekonstruktion erfassen wir interne Schädelstrukturen, die vor dem Hintergrund vergleichend-anatomischer, funktionsmorphologischer, ontogenetischer, systematischer und evolutiver Fragestellungen ausgewertet werden. Ein besonderes Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Evolution sowie funktionellen Anpassungen des Säugerohres. Im Fokus der Untersuchungen stehen derzeit Nagetiere, Hasentiere, Raubtiere, Paarhufer sowie verschiedene ausgestorbene Säugergruppen. Prof. Dr. Imke Schmitt – Senckenberg Biodiversität und Klima-Forschungszentrum (BiK-F) Abb.: Die Pustel-Nabelflechte, Lasallia pustulata Mutualistische Symbiosen sind Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen zweier Arten, die für beide Partner nützlich sind. Zusätzlich zur darwinischen Evolution (allmähliche Veränderung vererbbarer Merkmale) haben mutualistische Organismen die Möglichkeit, sich durch Auswahl lokal adaptierter Symbionten an die Umwelt anzupassen. Wir analysieren, wie evolutionäre Prozesse, z.B. Selektion, Koevolution oder Austausch von Symbionten, sowie ökologische Faktoren (Klima) die Genome und die Assoziationsmuster von Mutualisten beeinflussen. Unsere Modelle sind flechtenbildende Pilze und ihre symbiotischen Grünalgen. Prof. Dr. Friedemann Schrenk – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt UND GOETHE UNIVERSItÄT Hominiden-Sammlung Gustav Heinrich Ralph von Koenigswald aus Sangiran (Indonesien) Unser Forschungsansatz „Human Paleobiomics“ integriert die Paläoanthropologie mit den Umweltwissenschaften im Sinne einer Systemforschung. Die komplexen Beziehungen von Organismen und Habitaten wie beispielsweise Umweltabhängigkeit von Life History Faktoren, Co-Evolution von Organismen und Habitaten werden interdisziplinär erforscht. Dieser integrativ-systembiologische Ansatz fördert ein umfassendes Verständnis der Hartgewebe-Biologie als eine Hauptrichtung der paläoanthropologischen Forschung, da morphologische Signale und Muster wie die Schichtung im lamellaren Knochen und die Wachstumslinien der Zahnsubstanzen auch in den Fossilien als Resultate physiologischer Prozesse und Aktivität überliefert sind. Die molekulare Biologie zum Wachstum und Knochenumbau unter Berücksichtigung von Biomechanik, Verhaltensökologie, Umwelt- und Klimadaten, sowie von kulturellen Entwicklungen wird als ein Schlüssel zum Verständnis der Evolution des Menschen betrachtet. DR. KRISTER T. SMITH – SENCKENBERG FORSCHUNGSINSTITUT UND NATURMUSEUM FRANKFURT Abb.: Schuppenerhaltung auf der Hand einer Eidechse Indem er Übergangsformen beherbergt, bietet der Fossilbericht den einzigen direkten Nachweis über den Ablauf der Evolution. Wir erforschen die Evolutionsgeschichte der Reptilien anhand von weit verstreuten Fossil-Lagerstätten in Europa und Nordamerika. Schwerpunkte sind historische Einflüsse auf die Verbreitungsmuster niederer Wirbeltiere, die auf prähistorischen Klimawandel zurückzuführen sind, und die Entstehung von Anpassungen, die durch die ausgezeichnete Erhaltung der Fossilien aus der eozänen Grube Messel belegt werden. Prof. DR. Marco Thines – Senckenberg Biodiversität und Klima-Forschungszentrum (BiK-F) Abb.: falscher Mehltau Hyaloperonospora thlaspeos-perfoliatii auf Microthlaspi perfoliatum Biotische Interaktionen prägen die Evolution von Lebewesen sowohl in lang- als auch in kurzskaligen Prozessen. Genomische, phylogenetische und populationsbiologische Untersuchungen können im Zusammenspiel mit molekularbiologischen Untersuchungen und Experimenten Aufschluss darüber geben, wie Organismen im Zusammenspiel mit ihrer belebten Umwelt evolvieren. Wir untersuchen die Prozesse der Adaptation, Einnischung, und Artbildung, sowie übergeordnete evolutionäre Muster in erster Linie an den pilzähnlichen Oomyceten und Pflanzenpathogenen. Dr. Sonja Wedmann – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt Abb.: Fossile Weberameise Oecophylla longiceps aus der Grube Messel. Foto: Senckenberg Insekten sind eine äußerst diverse Organismengruppe, sowohl hinsichtlich ihrer Artenvielfalt als auch hinsichtlich des Reichtums an verschiedenen Lebensformen. Aktuell ist die Wissenschaft noch weit davon entfernt, die Vielfalt der heutigen Insekten zu beschreiben und zu verstehen, und noch weniger untersucht ist die Vielfalt und Entwicklungsgeschichte der fossilen Insekten. Fossilien können wesentliche Einblicke in die Evolution der Insekten geben, und wir untersuchen dies besonders intensiv für die 47 Millionen Jahre alten Insekten aus der Grube Messel. Prof. Dr. Georg Zizka – Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt und Goethe Universität Abb.: Guzmania sanguinea (Bromeliaceae) aus Panama. Foto: Daniel Caceres. Ausgehend von der systematisch-taxonomischen Bearbeitung untersuchen wir die Phylogenie, Merkmalsevolution, historische Biogeographie und auch Populationsgenetik von verschiedenen Blütenpflanzengruppen, insbesondere Bromeliaceae, Poaceae, Ochnaceae. Neben der Frage nach der Rolle von Schlüsselmerkmalen und Umweltfaktoren für Artbildung und Ausbreitung interessieren uns genetische Analysen als Mittel zur Rekonstruktion von Artbildung und zur Unterstützung von Artabgrenzungen.

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