Kannibalen-Salamander: Bei Hunger wachsen die Zähne

Metamorphose wie aus dem Horrorfilm: Wenn bei jungen Salamandern plötzlich nur noch Kopf und Zähne wachsen, verheißt das für ihre Artgenossen nichts Gutes …

Tuesday, March 31, 2020,
Von Starre Vartan
Ein ausgewachsener Langzehen-Querzahnmolch (Ambystoma macrodactylum) in Deschutes County, Oregon, USA. Im Larvenstadium können die Exemplare einen ...
Ein ausgewachsener Langzehen-Querzahnmolch (Ambystoma macrodactylum) in Deschutes County, Oregon, USA. Im Larvenstadium können die Exemplare einen besonders großen Kopf und Gaumenzähne ausbilden, um ihre Artgenossen zu fressen, wenn die Nahrung knapp wird.
Bild Joel Sartore, National Geographic Photo Ark

Hoch auf den Three Sisters, drei auffälligen Gipfeln der Kaskadenkette im US-Bundesstaat Oregon, mussten Forscher erst zu Fuß und dann per Ski die Berghänge bezwingen, um zu einem kleinen saisonalen Teich zu gelangen. In dem stillen Wasser lebten seltsame Salamander – und sonst nicht viel.

„Mir ist sofort aufgefallen, dass die Salamanderlarven sehr dürr waren und sehr große Köpfe hatten“, sagt Susan Walls, eine Biologin vom Geologischen Dienst der USA. Als sie genauer hinsah, entdeckte sie, dass Kopf und Kiefer dieser Langzehen-Querzahnmolche (Ambystoma macrodactylum) tatsächlich ungewöhnlich groß waren. Wie sich zeigte, dienten die großen Mäuler einem ganz spezifischen Zweck: Kannibalismus.

In einer der ersten Salamander-Studien zu diesem Thema beschrieb Walls die außergewöhnlichen Tiere. Diese hatten nicht nur einen größeren Kiefer, sondern auch größere Gaumenzähne. Für gewöhnlich handelt es sich bei dieser Art dabei nur um kleine Erhebungen hinter der vorderen Zahnreihe. In diesem Falle waren sie aber so stark gewachsen, dass sie Fangzähnen ähnelten – und all das, damit sie ihre Brüder besser fressen konnten. Aber warum?

Das durch Umweltdruck ausgelöste Gestaltwandeln wird als phänotypische Plastizität bezeichnet. Langzehen-Querzahnmolche können diesen Prozess in ihrem Larvenstadium durchlaufen. Wenn sie einmal erwachsen sind – wie das abgebildete Exemplar –, sind solche Veränderungen nicht mehr möglich.
Bild Joel Sartore, National Geographic Photo Ark

Als Jungtiere, ehe sich die Larven für ein Leben an Land weiterentwickeln, können die Langzehen-Querzahnmolche ihre Gestalt ändern: Ihr Kopf und ihr Kiefer werden dann im Verhältnis zu ihrem Körper deutlich größer und ihre Gaumenzähne wachsen. Wenn es genug Nahrung und Wasser gibt, kommt es nicht zu diesen abnormen Wachstumsschüben. Wenn die Tiere hingegen tagelang hungern und ihren wässrigen Lebensraum so schnell wie möglich verlassen müssen, weil er auszutrocknen droht, können ihr Kopf und ihre Zähne wachsen und später auch wieder schrumpfen. Dadurch können die Larven größere Beute fangen – beispielsweise ihre Geschwister. Diese proteinreiche Nahrung verhindert, dass sie verhungern, und beschleunigt ihren Wachstumsprozess, damit sie den Teich verlassen können, bevor er austrocknet.

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Das ist ein Beispiel für phänotypische Plastizität: körperliche Veränderungen an einem Tier, die durch Umweltfaktoren hervorgerufen werden. Dieses Phänomen tritt aber nicht nur bei Langzehen-Querzahnmolchen auf, sondern wurde schon bei mehreren Amphibienarten und anderen Tieren beobachtet. „Es gibt ein paar Insekten, die entweder einen kleinen oder großen Kopf haben können. Einige Nematoden können eine Kannibalenform mit Zähnen haben. Und es gibt Protisten [ein- bis wenigzellige Organismen], die eine Kannibalenform annehmen können, wenn die Populationsdichte zu groß wird“, sagt David Pfennig, ein Professor für Biologie an der University of South Carolina, der dieses Phänomen bei Tigersalamandern und Amerikanischen Schaufelfußkröten untersucht hat.

Ein tiefgehendes Verständnis für die phänotypische Plastizität kann dabei helfen, diverse Amphibienarten zu schützen. Global ist ihre Zahl bereits um etwa 43 Prozent geschrumpft – der rasanteste Biodiversitätsverlust unter Wirbeltieren.

Die Verwandlung zu Kannibalen

Die meisten Amphibien sind „doppellebig“ – denn genau das bedeutet ihr Name. Ihre ersten Wochen verbringen sie im Wasser, durchlaufen dann eine Metamorphose und leben an Land weiter. Im ersten Teil ihres Lebenszyklus kann es zu phänotypischer Plastizität kommen.

Die Larven der Langzehen-Querzahnmolche ähneln Kaulquappen. Für gewöhnlich fressen sie einander nicht, sind aber aggressiv. „Als ich die Tiere direkt beobachtet habe, habe ich sie häufig beißen und schnappen sehen“, sagt Erica Wildy, eine Professorin für Biologie an der California State University in East Bay. Sie erforscht unter anderem dieselbe Unterart von Langzehen-Querzahnmolchen wie Walls.

Die Kaulquappen der Amerikanischen Schaufelfußkröte entwickeln sich im Normalfall zu ihrer Allesfresserform (links). Wenn sie schon früh große Beutetiere wie Krebse und andere Kaulquappen fressen, entwickeln sie sich jedoch zu einer fleischfressenden Form (rechts).
Bild David Pfennig

Wildy hat untersucht, wie sich Nahrung auf die Aggression der Molchlarven auswirkt. Dabei entdeckte sie, dass sich die Querzahnmolche in dem isolierten Bergteich anders verhielten als jene, die in einem Tal lebten, in dem es mehr als genug Nahrung und Wasser gab. Die Talmolche waren bei Weitem nicht so aggressiv und bildeten keine Kannibalenform aus. Laut Wildys Forschungsarbeit ist der Stress durch die nahrungsarme Umgebung ein Schlüsselfaktor hinter der Aggression und dem Kannibalismus der Bergmolche.

Wildy bemerkte außerdem, dass die Kannibalenformen im Vergleich zu ihren nicht kannibalistischen Artgenossen schneller zu wachsen schienen. Ihrer Theorie nach liegt das vermutlich daran, dass sie schneller wachsen müssen, um den Teich zu verlassen, bevor er austrocknet. Denn ein trockener Teich wäre für eine Molchlarve ein Todesurteil.

Wenn die Kannibalenformen in ein größeres Habitat gelangen und zu ihrer normalen Nahrung zurückkehren, nehmen sie auch wieder ihre normale Form an, so Walls.

Geschickte Gestaltwandler

Welche Faktoren können solche dramatischen Veränderungen hervorrufen? Im Falle der Langzehen-Querzahnmolche waren es Nahrungsmangel und austrocknende Teiche. Bei Tigersalamandern ist Platz der entscheidende Faktor. Gibt es davon zu wenig und die Tiere begegnen einander zu häufig, können sich Kannibalenformen ausbilden, um die Population auszudünnen.

Die Kopfgröße Amerikanischer Schaufelfußkröten verändert sich je nachdem, welche Nahrung verfügbar ist. Wenn die Tiere schon früh damit anfangen, große Beute zu fressen, können sie später auch einen großen Kopf haben, sagt Pfennig. Die Normalform der Schaufelfußkröte und die fleischfressende Form mit dem großen Kopf sehen so unterschiedlich aus, dass Wissenschaftler sie früher für zwei verschiedene Arten hielten.

Manche Körperformen dienen dazu, Fressfeinden zu entkommen. Neotropische Frösche können je nachdem, welche Fressfeinde in der Nähe sind, verschiedene Formen annehmen, die sich in Farbe und Muskulatur unterscheiden.

„Wenn sie im Wasser Fische riechen, wächst ihnen ein langer, durchsichtiger Schwanz mit stärkerer Muskulatur“, sagt Justin Touchon, ein Professor für Biologie am Vassar College. Dadurch sind sie für Fische schwerer zu entdecken und können schneller davonschwimmen.

„Wenn sie stattdessen Libellenlarven riechen, bilden sie eine große, farbenfrohe Schwanzflosse aus“, so Touchon. Die auffällige Schwanzflosse zieht die Aufmerksamkeit der Libelle auf sich – und ist außerdem entbehrlicher als der schutzlose weiche Körper der Kaulquappe.

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Laut den Experten werden die Nonnen eine Schlüsselrolle für das Überleben der Dumerils Querzahnmolche spielen.

Evolution in Aktion?

Wir wissen nicht genau, was diese Veränderungen auslöst, sagt Touchon. Der Schlüssel liege aber in der Genexpression. „Ein Tier riecht einen Fressfeind oder spürt, dass das Wasser warm ist, und schaltet dann ein paar Gene an, die es ihm ermöglichen, sich schneller zu entwickeln, oder schaltet andere Gene ab.“

Derzeit erforscht er, welche Gene für die Verwandlung der Frösche verantwortlich sein könnten.

Wem diese phänotypische Plastizität wie Evolution in Aktion vorkommt, hat vielleicht gar nicht so unrecht. „Viele Forscher glauben, dass phänotypische Plastizität keinen Einfluss auf die Evolution hat, da durch die Umwelt ausgelöste Veränderungen normalerweise nicht vererbbar sind. Andere sind der Meinung, dass Plastizität die Evolution bremst. Wieder andere denken eher, dass phänotypische Plastizität die Evolution beschleunigt“, sagt Pfennig.

Schnell auf Veränderungen in der Umwelt reagieren zu können, ist für jede Art ein Vorteil. Gerade im Hinblick auf den voranschreitenden Klimawandel ist das nicht unwichtig. Pfennigs Amerikanischen Schaufelfußkröten in Arizona bleibt immer weniger Zeit, um von Kaulquappen zu Kröten zu werden, denn im Westen der USA werden Dürren und Flächenbrände häufiger. Fleischfressende (oder kannibalistische) Formen treten deshalb ebenfalls öfter auf. Proteinreiche Nahrung bedeutet, dass die Kaulquappen schneller wachsen, ihren Tümpel schneller verlassen können und sich schneller vermehren.

„Plastizität sollte einer Art einen Puffer verschaffen. Eine gewisse Flexibilität ermöglicht es den Tieren, auch im Angesicht einer sich verändernden Umwelt zu überleben“, sagt Touchon.

Das kann allerdings nur funktionieren, wenn die nötige Veränderung bereits im Repertoire der Art verankert ist. „Die Überlebensfähigkeit eines Organismus hängt davon ab, wo er lebt, an was er sich durch früher erfolgte Selektion anpassen kann und wie der Klimawandel seinen Lebensraum verändern wird“, sagt Mary Jane West-Eberhard. Sie ist eine emeritierte Wissenschaftlerin am Smithsonian Tropical Research Institute. Die Zweigstelle der Smithsonian Institution mit Sitz in Panama ist auf tropische Ökologie spezialisiert.

Galerie: Die Revolution der Evolution

Ein Beispiel für Plastizität, die bei der Anpassung an den Klimawandel helfen kann, ist der Genetzte Querzahnmolch (Ambystoma cingulatum) in Florida. Im Oktober 2018 drückte Hurrikan Michael salziges Meerwasser in das St. Marks National Wildlife Refuge an der Golfküste. Dort vermehren sich die Genetzten Querzahnmolche in saisonalen Süßwassertümpeln. Nach dem Sturm fand Susan Walls, die in der Region arbeitet, lebende Exemplare der Art – sogar an Orten, die ebenfalls von dem Salzwasser überspült worden waren.

Wie konnten sie das überleben? „Studien haben gezeigt, dass verwandte Tiere – beispielsweise Molche –, die in Küstengebieten leben, Salzwasser besser tolerieren als Individuen weiter flussaufwärts. Das ist eine Art von phänotypischer Plastizität: Sie können sich an lokale Gegebenheiten anpassen“, erklärt Walls.

Durch ihre Forschungen lernen die Wissenschaftler zunehmend mehr darüber, wie sich Amphibien an Umweltstress anpassen, der durch den Klimawandel noch verschärft wird. Walls hofft, dass die Menschheit mit diesem Wissen bessere Entscheidungen zum Schutz der Tiere treffen kann.

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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