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Den Hirschkäfern von Hachijo-jima auf der Spur

Was ihre Kiefer über die Geschichte von Inseln und Meer verraten

Auf den japanischen Hauptinseln und auf Hachijo-jima leben Hirschkäfer mit sägezahnartigen Kiefern. Stellen wir uns vor, wir legen je ein Männchen mit ungefähr gleicher Körpergröße nebeneinander. Das Männchen von Hachijo-jima hat kürzere Kiefer. Reicht das schon, um zwei verschiedene Arten zu erkennen?

Unterschiede an den Kiefern sind tatsächlich ein Anhaltspunkt, wenn man Arten unterscheiden will. Beim Vergleich vieler Tiere zeigte sich: Die Männchen von Hachijo-jima hatten im Verhältnis zur Körpergröße meist kürzere Kiefer als die Männchen der Hauptinseln.

Warum entstand dieser Unterschied auf Hachijo-jima? Die Insel bildete sich, als Vulkane vom Meeresboden über die Wasseroberfläche hinauswuchsen. Die Vorfahren der Käfer dürften das Meer überquert haben, nachdem dort Land entstanden war.

Kamen nach ihrer Ansiedlung weitere Käfer von den Hauptinseln oder anderen Inseln nach Hachijo-jima? Kodai Kishino und sein Forschungsteam untersuchten diese Verbindungen. Unterschiedliche Kontakte zur Außenwelt könnten mit der Entwicklung kürzerer Kiefer zusammenhängen. Gehen wir diesem Rätsel nach.

Zum Vergleich der Kiefer wird die Brustbreite gemessen

Die Körperlänge beschreibt, wie lang ein Tier ist. Manche Hirschkäferführer messen von den Kieferspitzen bis zum Hinterende. Dabei ergeben längere Kiefer eine größere Körperlänge, selbst wenn der übrige Körper gleich groß ist. Um herauszufinden, wie lang die Kiefer im Verhältnis zum Körper sind, nahm das Team deshalb ein anderes Maß: die Breite des Brustabschnitts direkt hinter dem Kopf.

Die Forschenden fotografierten Käfer aus Nasu Kogen auf den Hauptinseln sowie von Oshima, Niijima, Kozushima und Hachijo-jima senkrecht von oben. Auf den Fotos maßen sie Brustbreite und Kieferlänge. Bezogen auf die Brustbreite wurden die Kiefer der Männchen in der Reihenfolge Hauptinseln, Oshima, Niijima und Kozushima tendenziell kürzer. Die im Verhältnis kürzesten Kiefer unter den untersuchten Käfern fanden sich auf Hachijo-jima.

Die Käfer von Hachijo-jima galten zunächst als örtlich besondere Form innerhalb derselben Art wie die Käfer der Hauptinseln. Seit 1985 werden sie aufgrund von Unterschieden im Aussehen als eigene Art behandelt, deren japanischer Name „Hachijo-Sägekiefer-Hirschkäfer“ bedeutet. Kishinos Team untersuchte nun, welche Verbindungen diese Käfer in der Vergangenheit zu den Käfern anderer Inseln und der Hauptinseln hatten.

Wann trennte sich Hachijo-jima von den Hauptinseln?

Wenn die Käfer gemeinsame Vorfahren haben, gab es dann früher eine Landverbindung? Hachijo-jima ist eine Vulkaninsel im Süden der Izu-Inseln, die sich vor der Izu-Halbinsel ins Meer erstrecken. Geologische Untersuchungen haben keine Hinweise darauf gefunden, dass sich die Insel durch Abtrennung von den Hauptinseln bildete. Die Vulkane, aus denen sie entstand, bildeten sich am Meeresboden und tauchten später über der Wasseroberfläche auf.

Einen zeitlichen Hinweis liefert Vulkanasche, die von Kyushu herübergeweht wurde. Rund 240.000 Jahre alte Asche wurde auf Hachijo-jima in Schichten gefunden, die an Land entstanden waren. Als die Asche niederging, gab es dort demnach wohl bereits Land über dem Meeresspiegel.

Angesichts dieser Entstehungsgeschichte liegt es nahe, dass die Vorfahren der Käfer erst nach der Landbildung über das Meer kamen. Eine mögliche Reisegelegenheit wäre Treibholz. Kamen sie direkt von den Hauptinseln oder über benachbarte Inseln? Was trug sie, und wann erreichten sie ihr Ziel? Die Gesteinsschichten zeigen nur, dass es zu jener Zeit bereits Land gab.

In der DNA nach späteren Reisen suchen

Nehmen wir an, die Vorfahren der Käfer überquerten das Meer und siedelten sich auf der Insel an. Kamen danach weitere Käfer von den Hauptinseln oder anderen Inseln hinzu? Solche alten Reisen können wir nicht direkt beobachten. Wenn zugewanderte Käfer aber auf der Insel Nachkommen hatten, könnte ihre DNA bis heute weitergegeben worden sein. Nach solchen Spuren suchte das Team in den heute lebenden Käfern.

DNA ist ein Stoff, der Informationen über den Aufbau und die Funktionen des Körpers trägt. Zu ihrer Struktur gehören vier Arten chemischer Bausteine, die Basen heißen. Ihre Reihenfolge speichert Informationen. Diese Abfolge wird von Eltern an ihre Nachkommen weitergegeben, verändert sich aber manchmal an einzelnen Stellen. Vergleicht man, welche Veränderungen in verschiedenen Populationen erhalten sind, kann man deren Verbindungen untersuchen. Eine Population ist hier eine Gruppe von Käfern, die in einem bestimmten Gebiet lebt.

Zuerst verglich das Team die DNA der Mitochondrien. Diese befinden sich in den Zellen und erzeugen mithilfe von Nährstoffen aus der Nahrung Energie in einer für die Zelle nutzbaren Form. Bei vielen Tieren wird ihre DNA hauptsächlich von der Mutter vererbt. Ihre Abfolge lässt sich deshalb nutzen, um die mütterliche Linie zu verfolgen – ähnlich wie in einem Stammbaum von der Mutter zu deren Mutter.

Die Forschenden lasen einen Abschnitt der Mitochondrien-DNA aus. Er enthält Informationen für ein Bauteil, das bei der Energiegewinnung gebraucht wird.

Sie verglichen die DNA-Abfolgen der Käfer und suchten nach gleichen und unterschiedlichen Stellen. Daraus schätzten sie, in welcher Reihenfolge sich die Entwicklungslinien von gemeinsamen Vorfahren getrennt hatten. Werden diese Verwandtschaften wie Äste eines Baumes dargestellt, nennt man das einen phylogenetischen Stammbaum.

Für diesen Stammbaum untersuchten sie Käfer von acht Izu-Inseln, den Hauptinseln und weiteren Orten. Hachijo-jima und südliche Inseln wie Miyake-jima lagen auf einem gemeinsamen Ast, getrennt von der Gruppe der Hauptinseln. Die Käfer dieses Astes hatten der Schätzung zufolge untereinander einen jüngeren gemeinsamen Vorfahren als mit den Käfern der Hauptinseln. Oshima und Niijima lagen auf dem Ast der Hauptinseln. Auch als mehr Abschnitte der Mitochondrien-DNA verglichen wurden, blieb diese Verzweigung bestehen.

Als Nächstes verglich das Team DNA aus dem Zellkern. Sie wird sowohl vom Vater als auch von der Mutter vererbt. Der Zellkern ist der Bereich einer Zelle, in dem sich der größte Teil ihrer DNA befindet. Die Forschenden verglichen 1.317 Gene dieser Kern-DNA. Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA mit Informationen, die am Aufbau oder an den Funktionen des Körpers beteiligt sind.

Im Stammbaum aus Kern-DNA bildeten die vier Inseln Oshima, Niijima, Miyake-jima und Hachijo-jima einen gemeinsamen Ast, getrennt von den Hauptinseln. Dieser verzweigte sich weiter in Hachijo-jima und die drei anderen Inseln. Miyake-jima, das im Mitochondrien-Stammbaum einen Ast mit Hachijo-jima geteilt hatte, teilte nun einen mit Oshima und Niijima.

Könnten Wanderungen nach der Besiedlung zu diesem Unterschied geführt haben? Falls später angekommene Käfer auf den Inseln Nachkommen hatten, wäre auch ihre DNA hinzugekommen. Das Team ging dieser Möglichkeit genauer nach.

Welche Inseln teilen mehr DNA-Veränderungen mit den Hauptinseln?

Die Forschenden fassten Oshima, Niijima und Miyake-jima zu einer Gruppe zusammen und verglichen sie mit der Population von Hachijo-jima. Sie untersuchten, welche Gruppe mehr DNA-Stellen mit denselben Veränderungen wie die Käfer der Hauptinseln aufwies.

Wenn nach der Trennung keine der beiden Gruppen mehr Nachkommen mit Käfern der Hauptinseln gehabt hätte, wäre keine starke Häufung dieser gemeinsamen Veränderungen auf nur einer Seite zu erwarten. Tatsächlich fanden sich solche Stellen aber häufiger bei den drei Inseln als auf Hachijo-jima.

Das lässt sich erklären, wenn Käfer von den Hauptinseln sich mit denen der drei Inseln fortpflanzten und ihre DNA weitergaben. Unter Einbeziehung weiterer Analysen kam das Team zu dem Schluss, dass zugewanderte Käfer auf diesen drei Inseln Nachkommen hinterlassen hatten. Für eine entsprechende Beimischung von den Hauptinseln auf Hachijo-jima fanden sie keine Belege.

Erschwerte der Kuroshio die Reise nach Hachijo-jima?

Auf Oshima, Niijima und Miyake-jima wurden Spuren von Verbindungen zu den Hauptinseln sichtbar, auf Hachijo-jima nicht dieselben. Dabei sind alle Inseln durch Meer getrennt. Warum dieser Unterschied?

Um das zu untersuchen, schätzte das Team mithilfe der DNA auch den Zeitpunkt der Trennung zwischen den Populationen der Hauptinseln und Hachijo-jimas. Der Richtwert liegt bei etwa 150.000 Jahren vor heute; die in der Studie angegebene Spanne reicht ungefähr von 120.000 bis 190.000 Jahren. Diese Berechnung setzt voraus, dass die beiden Populationen nach ihrer Trennung keine gemeinsamen Nachkommen mehr hatten. Sie gibt daher nicht an, wann die ersten Käfer auf der Insel ankamen.

Die geologischen Schichten zeigen, dass es auf Hachijo-jima vor rund 240.000 Jahren bereits Land gab. Für die späteren Verbindungen der Käfer nahm das Team den Kuroshio in den Blick. Diese starke Meeresströmung verläuft zeitweise zwischen Mikura-jima und Hachijo-jima. Die Forschenden überlegten, ob sie die Wanderung zur Insel erschwert haben könnte.

Andere Studien rekonstruieren frühere Meeresverhältnisse aus Schlammablagerungen am Meeresboden. Ihnen zufolge floss der Kuroshio während einer kalten Phase weiter südlich als heute. Kishinos Team hält es für möglich, dass die Vorfahren der Käfer damals Hachijo-jima erreichten. Später könnte sich die Strömung nach Norden verlagert und den Weg zwischen den Inseln gekreuzt haben. Treibholz wäre dann möglicherweise anderswohin getragen worden und hätte Hachijo-jima schwerer erreicht. Das ist eine Hypothese. Weil die geschätzte Trennungszeit eine große Spanne hat, bleibt offen, ob sie genau mit der Änderung des Strömungsverlaufs zusammenfiel.

Immer wenn Käfer von den Hauptinseln auf einer Insel Nachkommen haben, kommt ihre DNA zur örtlichen Population hinzu. Das Team vermutet, dass solche Einträge auf Hachijo-jima seltener waren. Dadurch könnten Veränderungen, die zum Inselleben passen, leichter erhalten geblieben sein und auch die Entwicklung kürzerer Kiefer begünstigt haben.

Was wurde während des Larvenwachstums verändert?

Wenn sich die Entwicklung der Kiefer verändert hat, könnte DNA mit einer Funktion beim Wachstum weitere Hinweise liefern. Die Zellen der Larven besitzen ein Bauteil, das Wachstumssignale empfängt, die vom Ernährungszustand des Körpers abhängen. Bei den Käfern von Hachijo-jima wies die DNA mit den Bauinformationen für dieses Bauteil Unterschiede auf, die in den anderen Populationen nicht beobachtet wurden.

Das Team teilte Larven von den Hauptinseln in zwei Gruppen. Bei einer verringerte es die Herstellung dieses Bauteils. Als die erwachsenen Männchen gemessen wurden, hatte die Gruppe mit verringerter Herstellung im Verhältnis zur Körpergröße kürzere Kiefer als die Vergleichsgruppe ohne diese Verringerung. Damit wurde auch im Experiment bestätigt, dass das Bauteil an der Kieferentwicklung beteiligt ist.

Was wir wissen und was noch geprüft werden muss

Die Studie bestätigte, dass die Männchen von Hachijo-jima auch unter Berücksichtigung der Körpergröße kürzere Kiefer haben. Die DNA-Vergleiche zeigten auf Oshima, Niijima und Miyake-jima Spuren von Nachkommen zugewanderter Käfer der Hauptinseln. Auf Hachijo-jima wurden dieselben Spuren nicht gefunden. Die Verbindungen zu den Hauptinseln unterscheiden sich also von Insel zu Insel.

Das Team vermutet, dass auf Hachijo-jima seltener DNA von den Hauptinseln hinzukam. So könnten Veränderungen, die zum Inselleben passen, leichter erhalten geblieben sein und die Evolution kürzerer Kiefer begünstigt haben. Sowohl die Inselumwelt als auch die Geschichte geringerer Zuwanderung könnten zu den kurzen Kiefern beigetragen haben.

Um diese Erklärung zu prüfen, bleibt noch einiges zu untersuchen. Das Experiment zeigte, dass eine verringerte Herstellung eines wachstumsbezogenen Bauteils bei Larven der Hauptinseln zu kürzeren Kiefern führt. Ob die auf Hachijo-jima gefundenen DNA-Unterschiede selbst die Funktion dieses Bauteils verändern, wurde dagegen noch nicht geprüft. Um zu verstehen, wann kurze Kiefer auf der Insel nützlich sind, muss auch untersucht werden, wo die Männchen aufeinandertreffen und worum sie konkurrieren.

Auch die Erklärung, der Kuroshio habe die Wanderung nach Hachijo-jima erschwert, ist weiterhin eine Hypothese. Wann und auf welchem Weg die ersten Käfer ankamen und wie sich spätere Wanderungen änderten, braucht weitere Belege. Man könnte zum Beispiel andere Insekten vergleichen, die sowohl auf Mikura-jima als auch auf Hachijo-jima vorkommen. Werden auch bei ihnen die DNA-Unterschiede zwischen diesen Inseln größer, könnte das Hinweise auf den Einfluss der Meeresströmung liefern.

Die Frage nach unterschiedlichen Kiefern hat uns bis zur Entstehung einer Insel und zu Meeresströmungen geführt. Begünstigten schwächere Verbindungen zu den Hauptinseln eine eigene Entwicklung auf Hachijo-jima? Aufbauend auf diesen Ergebnissen gilt es nun, die Wirkung der DNA mit dem Leben der Käfer auf der Insel zu verbinden und zu überprüfen.

Quellen