Response of the press to the "Hot Snail Project"

12.09.2011
 

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.

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 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.

Ein Beitrag von:
 
sb (12.08.2011) - 12.09.2011
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Response of the press to the "artificial slug" story published in Evol. Ecol. (2010)

Pressemitteilung

Erstmals künstliche Nacktschnecken erzeugt
Tübinger Biologen formen die Körpergestalt von Schnecken um – durch Einwirkung von Platin wird die Schale im Innern angelegt


Nur ein bis zwei Tage entscheiden während der Embryonalentwicklung der Süßwasserschnecke Marisa cornuarietis darüber, ob die Tiere während ihres Lebens ein Gehäuse tragen oder nicht. Wird während dieser Zeit die Wachstumsrichtung des schalenbildenden Gewebes „umprogrammiert“, so entwickeln diese Weichtiere keine äußere gewundene Schneckenschale. Stattdessen wächst ein kleiner Hohlkegel im Körperinneren – eine ähnliche Entwicklung nehmen die ebenfalls zu den Weichtieren gehörenden Tintenfische. Die Umprogrammierung hat bei der Schnecke auch Konsequenzen für die Lage anderer Organe: So liegt die Kieme nicht, wie üblich, über dem Kopf in einer Mantelhöhle sondern erstreckt sich stattdessen am Hinterende des Tieres frei ins Wasser. Die vom Team um Prof. Heinz Köhler und Prof. Rita Triebskorn vom Institut für Evolution und Ökologie der Universität Tübingen in der Zeitschrift Evolution & Development vorgestellten Befunde unterstützen die Ansicht, dass sich die Körpergestalt von Organismen im Laufe der Evolution durch vergleichsweise geringfügige Modifikationen von Signalwegen sprunghaft verändert haben könnte.

Dass sich die Körperform von Schnecken künstlich umgestalten lässt, entdeckte Raphaela Osterauer, Doktorandin am Institut für Evolution und Ökologie der Universität Tübingen, bei Studien zur Giftwirkung von Metallionen. Die Forschungsgruppe von Heinz Köhler erarbeitete hierzu vor einigen Jahren einen Biotest auf der Basis von sich entwickelnden Schneckeneiern, der sich als sehr empfindlich erwiesen hat. Als die Biologin die Toxizität des in Kfz-Abgaskatalysatoren eingesetzten Edelmetalls Platin überprüfen wollte, stellte sie bei hohen Konzentrationen zweiwertiger Platin-Ionen fest, dass die in den Eiern heranwachsenden Embryonen kein Gehäuse ausbildeten. Weitere Experimente zeigten, dass die Umprogrammierung nur in einer gewissen Zeitspanne von ein bis zwei Tagen während der Embryonalentwicklung möglich war. In dieser Zeit wird die Wachstumsrichtung der Schalendrüse festgelegt. Sie bestimmt darüber, ob der Eingeweidesack der Tiere von einem normalen Mantel, der die äußere Schale bildet, überwachsen wird oder ob sich das schalenbildende Gewebe stattdessen in den Körper einstülpt.

Es ist somit möglich, nur mit einer kurzzeitigen Platingabe während dieser entscheidenden Entwicklungsphase die Wachstumsrichtung dieses Gewebes mit all seinen Konsequenzen für die Schalenbildung, die Ausprägung des Mantels und die Lage der Kiemen unumkehrbar zu beeinflussen. Nach Absetzen von Platin entwickeln sich die Schnecken entsprechend ihres neuen Entwicklungsprogramms, schlüpfen aus den Eiern, nehmen wie üblich Nahrung auf und ändern ihre neu definierte Körpergestalt auch während des weiteren Wachstums nicht. Sie erreichen ein Alter von mehr als einem halben Jahr. In dieser Zeit wächst in den Tieren eine innere, ebenfalls kalkige Schale in der Form eines leicht gebogenen Hohlkegels heran, die nach dem Tod der Schnecken zurückbleibt. Da auch natürlich vorkommende Nacktschnecken und Tintenfische in der Größe reduzierte innere Schalen ausbilden, könnte die künstlich modifizierte Marisa-Schnecke als entwicklungsbiologisches Modell für die Erklärung der Evolution innerer Schalen bei Weichtieren dienen. So wurde in jüngsten Studien der Forschergruppe das Fehlen eines Gehäuses nach Platinbehandlung auch bei zwei nur entfernt verwandten Lungenschneckenarten beobachtet.

Durch die Wirkung von Platin werden die Schnecken genetisch nicht verändert, sie sind keine „Mutanten“. Die Forscher nehmen jedoch an, dass die Regulation der Aktivität, das heißt das An- und Abschalten von Genen, modifiziert wird, und dass derartige Modifikationen auch während der Evolution von Körperformen der Weichtiere bedeutsam waren. Aus diesem Grund plant die Forschergruppe, sich zusammen mit Kollegen verstärkt auf die Analyse von durch Platin-Ionen beeinflussten Genaktivitäten während der frühen Entwicklung der Schnecken zu konzentrieren.

Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass künstlich “schalenlose“ Schnecken im Freiland nicht auftreten. Durch Abnutzung von Abgaskatalysatoren wird zwar Platin in die Umwelt eingetragen, doch solch hohe Platinkonzentrationen wie in den Experimenten mit Schnecken werden bisher nicht erreicht.


Die Originalpublikation
Raphaela Osterauer, Leonie Marschner, Oliver Betz, Matthias Gerberding, Banthita Sawasdee, Peter Cloetens, Nadine Haus, Bernd Sures, Rita Triebskorn und Heinz-R. Köhler: “Turning snails into slugs: induced body plan changes and formation of an internal shell” in der Ausgabe der Zeitschrift Evolution & Development, Band 12, Seiten 474 bis 483 von September 2010.

Für Nachfragen:
Prof. Dr. Heinz-R. Köhler
Universität Tübingen
Institut für Evolution und Ökologie
Physiologische Ökologie der Tiere
Konrad-Adenauer-Str. 20
72072 Tübingen  
Telefon +49 7071 757 3559
Telefax +49 7071 757 3560
heinz-r.koehler [at] uni-tuebingen.de

Press release

Artificial slugs raised for the first time
Biologists from Tübingen University re-shape the body design of snails – exposure to platinum results in the formation of an internal shell

During embryogenesis of the freshwater snail, Marisa cornuarietis, a time slot of just one or two days determines whether the animals form an outer shell or not. Reprogramming of the direction of growth of the molluscs´ shell-generating tissue during this sensitive phase prevents the development of the usual convoluted shell. In lieu thereof a small hollow cone grows inside the body – similar to the situation in squids. This new program has implications also for other organs: the gill is not located in a mantle cavity over the head, as usual, but rather no mantle cavity is formed at all and the gill remains at the posterior end of the visceral sac and floats freely in the water. These results which recently have been published in Evolution & Development by the group of Prof. Heinz Köhler and Prof. Rita Triebskorn from the Institute for Evolution and Ecology of Tübingen University, Germany, support the theory of 'macromutation'-based radical developmental shifts caused by modifications of signal transduction pathways which may have led to sudden body plan alterations during evolution.

Initially, the phenomenon of snail-slug conversion was discovered by Raphaela Osterauer, PhD candidate supervised by Heinz Köhler, while studying the toxicity of metal ions. Some years ago, the group had established a comparatively sensitive embryo toxicity test on the basis of developing Marisa eggs. When testing the noble metal platinum, which is released into the environment by abrasion from automobile catalytic converters, she found the embryos lacking a shell when being exposed to high concentrations of bivalent platinum ions. Further experiments revealed crucial relevance of exactly that small time slot in which the direction of growth of the shell gland´s tissue is defined. During one or two days only, this tissue is either programmed to evaginate and to form a shell-secreting mantle covering the dorsal part of the snail´s body or, alternatively in the presence of platinum, to invaginate into the gastropod´s body.

It is thus possible to spatially re-direct the shell-forming tissue with all irreversible consequences for the formation of the mantle and the shell and the position of the gill simply by a temporary exposure to platinum ions. After removal of platinum, the artificial slug embryos proceed with their development according to the new developmental program, hatch from their eggs, feed as usual, and do not change their new body plan anymore. They reach an age of more than half a year. During his time, an internal calcareous shell in the shape of a slightly bend, hollow cone grows inside of the body of these animals which remains after their death. Since also extant slugs, sea-slugs, and cephalopods bear small internal shells, the artificial Marisa slugs may serve as a model organisms to investigate the evolution of shell internalization. In recent studies, the Köhler and Triebskorn group was able to raise artificial slugs also in two only distantly related lung snail species.
 
The molluscs are not genetically modified by platinum – they are no mutants. However, the scientists expect gene activity regulation to be modified. Similar, mutation-based modifications of gene regulation may have contributed to the evolution of different mollusc body plans and, consequently, the Tübingen research group now plans to concentrate on the analysis of platinum-sensitive gene activity during the early embryogenesis of gastropods.

The biologists assume that the artificial slugs do not occur in the field, since platinum pollution in the environment does not yet reach the concentrations necessary for snail-slug conversion.




Original publication:
Raphaela Osterauer, Leonie Marschner, Oliver Betz, Matthias Gerberding, Banthita Sawasdee, Peter Cloetens, Nadine Haus, Bernd Sures, Rita Triebskorn and Heinz-R. Köhler: “Turning snails into slugs: induced body plan changes and formation of an internal shell”. Evolution & Development 12, pages 474 – 483, September 2010.

Communication to:
Prof. Dr. Heinz-R. Köhler
University of Tübingen
Institute for Evolution and Ecology
Animal Physiological Ecology
Konrad-Adenauer-Str. 20
D-72072 Tübingen, Germany  
Phone +49 7071 757 3559
Facsimile +49 7071 757 3560
heinz-r.koehler [at] uni-tuebingen.de

“Erstmals künstliche Nacktschnecken erzeugt“
(Universität Tübingen, Pressemitteilung, 11. Okt. 2010)

“Artificial slugs raised for the first time”
(University of Tübingen, press release, 11. Oct 2010)

“One small step for a snail, one giant leap for snailkind”
(Rachel Ehrenberg, Science News Online, Washington DC, 8. Oct 2010)

“It really demonstrates that development is modular, that you can have quite drastic modifications of the development of one component of the body plan but not others.”
(Louise Page, University of Victoria, British Columbia in “Science News Online” 8. Oct 2010)

“This shows that you can get really dramatic changes that could be similar to the genetic mutations that drive evolution, without worrying about doing everything in small incremental steps. (…) This is a very concrete demonstration, a very clear demonstration of a large-scale change in body plan.”
(Roger Croll, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia in “Science News Online” 8. Oct 2010)

“Edelmetall stülpt Schneckenhaus um“
(Scienceticker Umwelt, 11. Okt. 2010)

“Harter Kern. Schnecke mit Haus im Körper“
(Süddeutsche Zeitung, 13.10.2010)

“Scientists Turn Snails Into Slug-Like Creatures”
(Science Daily Online, 12.Oct 2010)

“Science Fiction Becomes Reality”
(Nano Patents and Innovations Online, 11. Oct 2010)

"frankensnails"
(“dang” (blogger) in www.badmanstropicalfish.com/forum/, 13. Oct 2010)

Die Evolution des Lebendigen

                                                                                                                                   --> Download Bestellformular / Flyer

Grundlagen und Aktualtität der Evolutionslehre

"Nichts in der Biologie macht Sinn, außer man betrachtet es im Licht der Evolution", so formulierte im 20. Jahrhundert der ukrainisch-amerikanische Genetiker und Zoologe Theodosius Dobzhansky den zentralen Anspruch der Evolutionsbiologie. Tatsächlich kann die im Verlauf der Erdgeschichte zu beobachtende Veränderung und Diversifizierung der Organismen seit Darwin auf der Grundlage einer umfassenden Theorie der Evolution erklärt werden. Demnach ist die Mannigfaltigkeit der Organismen das Produkt eines historischen Entwicklungsprozesses, so dass alle Arten in einem mehr oder weniger engen Verwandtschaftsverhältnis zueinander stehen. Aber noch heute bestehen große Missverständnisse darüber, wie Evolution eigentlich funktioniert. Zum Teil wird die Evolutionsbiologie sogar als Bedrohung empfunden, da sie scheinbar im Widerspruch zu einer religiös geprägten Weltsicht steht. Die Beiträge des Buches beleuchten alle wesentlichen Aspekte der Evolution, bis hin zur biologischen und kulturellen Entwicklung des Menschen, und tragen dazu bei, das allgemeine Verständnis für das Thema, die Kenntnis ihrer Prinzipien und Methoden zu verbessern.

Betz O, Köhler H-R (Hrsg.) (2008):
Die Evolution des Lebendigen.
Attempto-Verlag, Tübingen.
ISBN: 3893083995ISBN-13: 9783893083992

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"Der Leser erhält mit diesem Buch einen einmaligen Überblick über das interdisziplinäre Gebiet der Evolutionsbiologie, aktuell und kompetent aus dem Blickwinkel der jeweiligen renommierten Wissenschaftler; die Begeisterung der Forscher für ihre speziellen Fragestellungen ist spürbar. Das gelungene Buch (...) wird im harten Selektionsprozess des Marktes bestimmt zahlreiche, zufriedene Leser finden." (Dr. A. Schmetz)

"Unabhängig davon, welche Qualitätsmaßstäbe bei der Bewertung einer Publikation angesetzt werden, "Die Evolution des Lebendigen" ist zweifelsohne der Oberklasse des wissenschaftlichen Sachbuches zuzuordnen und weist lediglich einen erheblichen "Nachteil" auf: es ist nämlich bereits nach 283 fesselnden Seiten abgeschlossen!" (P. Veraja)

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Deutschlandradio Kultur, 17. Juli 2008:
"Die Evolution des Lebendigen" (bietet) einen anspruchsvollen und verständlichen Einblick in aktuelle Fragen der Evolutionsbiologie - jenseits von Oberflächlichkeit und ideologischen Gefechten." (S. Billig)

Laborjournal 7-8/2008, 23. Juli 2008:
"Schon zu Beginn werden eine Reihe von Fragen aufgeworfen, die in den nachfolgenden Kapiteln ausführlich aus der Sichtweise verschiedener Teildisziplinen der Evolutionsforschung beantwortet werden. Genau das ist der Reiz dieses Buches (...) Im Hinblick auf das bevorstehende "Darwin-Jahr 2009" ist dieses Buch eine erfrischende Lektüre und gibt allen Interessierten einen abwechslungsreichen Einblick in die aktuelle Evolutionsforschung." (Dr. R. Schill)

Biologie in unserer Zeit (38) 6/2008, Dezember 2008:
"Der Schwerpunkt liegt auf der Darstellung der Mechanismen der Evolution. Die sechzehn Autoren spannen einen weiten Bogen von der molekularen Evolution bis zur Evolution von Religionen. (...) Wer das Buch zur Hand nimmt, wird darin Anregungen finden, sollte jedoch über Grundkenntnisse der Disziplinen verfügen." (Prof. Dr. Dr. h.c. V. Storch)