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Wie Schnecken der Hitze trotzen

Hohe Temperaturen und Trockenheit zählen nicht unbedingt zu den bevorzugten Umweltbedingungen von Schnecken. Dennoch gibt es einige Arten, die sogar in der Wüste überleben können. Wie es den Tieren auf molekularer, zellulärer und physiologischer Ebene gelingt, sich an extreme klimatische Situationen anzupassen, untersuchen jetzt die Tübinger Zoologen Professor Dr. Heinz-R. Köhler und Professor Dr. Rita Triebskorn mit ihrer Arbeitsgruppe zusammen mit Kooperationspartnern aus Avignon, Esslingen, Gießen und Le Havre. Ihr von der DFG gefördertes Hot-Snail-Projekt soll insbesondere klären, ob die Reaktionen auf hitzebedingten Stress Einfluss auf die phänotypische Vielfalt der Tiere haben.

Der Tübinger Zoologe Professor Dr. Heinz-R. Köhler erforscht die Hitzetoleranz von Schnecken. © privat

Schnecken stammen ursprünglich aus dem Meer, und die überwiegende Zahl der mehr als 60.000 verschiedenen Arten lebt auch heute noch im Wasser. Diejenigen, die an Land gezogen sind, mussten im Laufe der Evolution eine Vielzahl von Anpassungsstrategien an die neuen Lebensbedingungen entwickeln. „Hitze ist für Schnecken aber immer noch ein großes Problem“, berichtet Professor Dr. Heinz-R. Köhler vom Institut für Evolution und Ökologie an der Universität Tübingen. Schuld ist die feuchte und unverhornte Körperoberfläche der Tiere, die diese nur unzureichend vor Austrocknung schützt. Dennoch gibt es Schneckenarten, die auch in heißen Klimazonen ihren Lebensraum gefunden haben.

Die physiologischen und biochemischen Grundlagen dieser Hitzetoleranz untersuchen die Tübinger Biologen jetzt im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Hot-Snail-Projektes. Eine zentrale Rolle spielen dabei die sogenannten Hitzeschockproteine (HSPs), die erstmals bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster als zelluläre Antwort auf eine Temperaturerhöhung nachgewiesen wurden. „Inzwischen weiß man, dass HSPs bei allen Organismen vorkommen - von Bakterien bis zu Säugetierzellen – und viele von ihnen in der Evolution stark konserviert geblieben sind“, so Köhler. Ein Umstand, der auf die enorme Bedeutung dieser Eiweiße für den Zellstoffwechsel schließen lässt.

Kritische Proteinfaltung

„Auch Schnecken reagieren auf Hitze mit der Bildung von Hitzeschockproteinen“, berichtet der Biologe. Die HSPs zweier bedeutender Klassen, HSP70 und HSP60, werden dabei als sogenannte ‚Chaperone’ bezeichnet. Vor dem Hintergrund, dass Proteine bestimmte räumliche Strukturen einnehmen müssen, um ihre biologische Funktion ausüben zu können, leisten diese Hitzeschockproteine einen wichtigen Beitrag zur Stabilisierung der Zellfunktion. Die Proteinfaltung ist nämlich ein sehr störanfälliger Prozess, der in lebenden Zellen von verschiedenen Chaperonen überwacht wird. „Die Hitzeschockproteine besitzen die außergewöhnliche Fähigkeit, durch Hitze oder andere Faktoren geschädigte Proteine bis zu einem gewissen Grad wieder in ihren natürlichen Zustand zurückfalten zu können“, so Köhler. Ein Mechanismus, der den Zellen – und damit dem gesamten Organismus – das Überleben sichert.

Allerdings kann die Pufferkapazität der Hitzeschockproteine in extremen Stresssituationen auch rasch erschöpft sein. Schnecken verfügen deshalb noch über weitere Mechanismen, um auf Hitzestress zu reagieren. „Einige Arten können zum Beispiel durch höhere Verdunstungsraten die Körpertemperatur niedrig halten“, so Köhler. Gemeinsam mit Ingenieuren der Hochschule Esslingen untersuchen die Tübinger Zoologen zudem die thermodynamischen Verhältnisse in der Umgebung und im Inneren der Schneckenhäuser. „Wir wollen zum Beispiel die Frage klären, ob Individuen mit dunklen Schalen sich tatsächlich schneller aufheizen als solche mit hellen Gehäusen.“

Maskierte Mutationen

Die Heideschnecke Xeropicta derbentina im natürlichen Habitat in Südfrankreich. Die Tiere entkommen dem sich durch Sonneneinstrahlung stark erwärmenden Boden durch Erklimmen vertikaler Objekte. © A. Dieterich, Universität Tübingen

Die Hitzeschockproteine besitzen neben ihrer hitzeprotektiven Wirkung auf den Zellstoffwechsel aber noch weitere Fähigkeiten, die die Tübinger Arbeitsgruppe faszinieren. Denn offensichtlich können HSPs das Auftreten von genetischen Mutationen im Erbgut bis zu einem bestimmten Grad maskieren. „Eine Mutation, die zu einem Aminosäure-Austausch führt, sollte üblicherweise auch die Struktur des dazugehörigen Proteins beeinflussen“, so Köhler, „es wird jedoch angenommen, dass Hitzeschockproteine kleine Abweichungen von der Idealstruktur erkennen können und dafür sorgen, dass die entsprechenden Proteine dennoch ‚korrekt’ gefaltet werden.“

So könnte verhindert werden, dass jede genetische Mutation sofort Auswirkungen auf den Phänotyp hat. „Dadurch könnte die Evolution im Stillen Mutationen akkumulieren, die jede für sich gar nicht auf ihren evolutiven Erfolg überprüft wird“, so der Wissenschaftler. Dies geschieht offensichtlich erst ab einer kritischen Zahl von Mutationen. „Es ist nämlich durchaus denkbar, dass mehrere verschiedene Mutationen in einem Protein, von denen jede für sich eine ungünstige Wirkung hätte, in ihrer Summe plötzlich eine Funktionsverbesserung bewirken und so doch noch eine Chance erhalten, sich in der Evolution durchzusetzen“, erklärt Köhler. Dieses Denkmodell wird in der Wissenschaft aktuell im Rahmen der ‚Capacitor-Hypothese’ diskutiert.

Spielmasse für die Evolution

In der Theorie bedeutet dies, dass in Populationen mit einem hohen HSP-Level die phänotypische Variation der Tiere in Relation zu anderen Populationen deutlich geringer sein sollte, weil potenziell mehr Mutationen maskiert werden können. „In den Schneckenpopulationen, die wir bisher untersucht haben, sprechen die Ergebnisse deutlich für die Capacitor-Hypothese“, so Köhler. Unter großem Stress hingegen – wenn sich beispielsweise die Umweltbedingungen sprunghaft ändern – könnte dieses Capacitoring-System schlagartig zusammenbrechen, weil die Hitzeschockproteine in den Zellen dann vermehrt für Reparaturaufgaben benötigt werden.

„Als Konsequenz würde die Variation in der Population nach einem Stressereignis deutlich ansteigen, weil der Pool an genetischer Vielfalt, der sich im Laufe der Zeit angesammelt hat, plötzlich zum Tragen käme“, so Köhler. Ein Phänomen, das bei Modellorganismen wie der Fruchtfliege Drosophila oder dem Kreuzblütler Arabidopsis unter Laborbedingungen bereits beschrieben wurde. „Die Evolution hätte auf diese Weise eine größere Spielmasse zur Verfügung, weil neue Phänotypen auftreten könnten, die an die veränderten Umweltbedingungen sehr viel besser angepasst sein können als die bisherigen“, erklärt der Zoologe. Mit dem Hot-Snail-Projekt will die Arbeitsgruppe um Köhler und Triebskorn jetzt erstmals auch bei frei lebenden Tierpopulationen mediterraner Heideschnecken Belege für die Capacitor-Hypothese liefern.

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