Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Parasiten überlassen nichts dem Zufall

27.05.2009
Sie manipulieren ihren Wirt und können somit den günstigsten Zeitpunkt für den Wirtswechsel erreichen

Zahlt sich für einen Parasiten ein Lebenszyklus aus, der mehrere Wirte bis zu seiner Reproduktion benötigt? Dann sollte der Parasit seine Zeit im ersten und im folgenden Wirt so kombinieren, dass sein Wachstum insgesamt maximal wird. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön konnten zusammen mit Kollegen der Universität Liverpool erstmals theoretisch und empirisch nachweisen, dass Parasiten den Zeitpunkt des Wechsels von einem zum anderen Wirt optimieren. Sie manipulieren das Verhalten des ersten Wirts vor dem optimalen Zeitpunkt so, dass der Wechsel unterdrückt wird, und danach so, dass er induziert wird. Diese Erkenntnisse könnten ganz neue Ansätze für die Bekämpfung von Parasiten des Menschen liefern. (Evolution, Juni 2009)


Der Bandwurm Schistocephalus solidus in der Leibeshöhle seines zweiten Zwischenwirtes, dem Dreistacheligen Stichling. Obwohl dieser Parasit in dem kleinen Fisch zu seiner endgültigen Größe heranwächst, handelt es sich hierbei noch um ein Larvenstadium (Plerocercoid). Erst wenn die Bandwürmer (mit dem Wirt) in den Darm eines Fisch fressenden Vogels gelangen, werden sie zu geschlechtsreifen Erwachsenen und produzieren innerhalb weniger Tage enorme Mengen an Eiern, bevor sie absterben. Bild: MPI für Evolutionsbiologie


Die dunkelgrau schattierte Fläche zeigt das theoretisch ermittelte optimale Zeitfenster zwischen dem 13. und 15. Tag an, in dem der Parasit das Verhalten seines Wirts so manipulieren muss, dass er eine leichte Beute für den Stichling wird; die hellgraue Fläche zeigt das experimentell ermittelte Zeitfenster an. Solange das optimale Zeitfenster noch nicht erreicht ist, sorgt der Parasit dafür, dass der Copepode nach einem Schreckreiz mehr als zwei Minuten unbeweglich verharrt. Ist das optimale Zeitfenster erreicht, setzt nach einem Schreckreiz die Schwimmaktivität des Copepoden schon nach weniger als einer Minute wieder ein - damit wird er jedoch zu einer leichten Beute für den Stichling (Verhalten der infizierten Copepoden (rot), der Copepoden, die der Bandwurmlarve ausgesetzt waren, aber nicht infiziert wurden (orange) sowie der Kontrollgruppe (schwarz)). Bild: MPI für Evolutionsbiologie

Parasitismus ist eine äußerst erfolgreiche Lebensform - mehr als 40 Prozent aller Arten weltweit leben parasitär. Und auch die Liste jener Parasiten, die den Menschen befallen und eine Vielzahl schwerwiegender Erkrankungen auslösen können, ist lang: Dazu gehören die durch parasitäre Einzeller ausgelöste Malaria ebenso wie die Schlafkrankheit oder die durch den Pärchenegel Schistosoma hervorgerufene Bilharziose.

Alle diese Schmarotzer leben auf Kosten ihres Wirts und haben sich dabei hochgradig auf ihn spezialisiert. Oft beschränkt sich ihr Lebensraum nicht nur auf einen einzigen Wirt - tatsächlich wechseln viele Parasiten im Laufe ihres Lebenszyklus den Wirt: So werden sie von einem ersten Wirt durch die Nahrung aufgenommen, wachsen heran, wechseln in einen zweiten und manchmal sogar in einen dritten. Erst hier reproduzieren sie sich dann und ihre Nachkommen beginnen den Lebenszyklus von neuem.

Seit über 100 Jahren untersuchen Parasitologen diese komplexen Zyklen bis hinunter auf molekulare Ebene, doch die Frage, warum Parasiten ihren Wirt wechseln, blieb bisher unbeantwortet. "Dieser Lebenszyklus ist so riskant, dass man sich schwer vorstellen kann, wie sich eine solche Abfolge von Wirtswechseln für den Parasiten insgesamt lohnen kann", erklärt Manfred Milinski, Direktor am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön. Dennoch müssen komplexe Lebenszyklen von Parasiten eine Erfolgsstrategie sein, sonst hätten sie sich nicht im Laufe der Evolution entwickelt.

2003 veröffentlichte der Evolutionstheoretiker Geoff A. Parker von der Universität Liverpool eine generelle Theorie zur Evolution des Wirtswechsels. Parker und Milinski taten sich zusammen, um an einem Modellparasiten die Voraussagen der Theorie zu testen. Theorie und Experimente mussten dazu an diesen entsprechend angepasst werden. Dabei handelt es sich um den Bandwurm Schistocephalus solidus. Im Plöner Max-Planck-Institut haben die Forscher alle Schritte seines komplexen Zyklus experimentell untersucht: Seine freischwimmende Larve muss zunächst von einem Hüpferling, einem kleinen Ruderfußkrebs (Copepode), erbeutet werden. In diesem wächst die Larve über zwei bis vier Wochen heran. Dann muss der Hüpferling von einem Dreistachligen Stichling gefressen werden - nur in diesem kann die Larve innerhalb von 3 Monaten enorm wachsen; in jedem anderen Fisch würde sie sterben. Der Stichling wiederum muss die Beute eines Vogels, zum Beispiel eines Reihers werden, denn erst in diesem paart sich der Bandwurm in seinem Endstadium. Die Eier gehen mit dem Vogelkot ins Wasser und der Zyklus beginnt aufs Neue.

In aufwändigen Transfer-Experimenten infizierten Milinskis Mitarbeiterinnen Katrin Hammerschmidt und Kamilla Koch dreitausend Copepoden mit je einer Bandwurmlarve und ließen sie entweder 11, 21 oder 31 Tage wachsen bevor sie die infizierten Copepoden an je einen Stichling verfütterten. Nach 47 oder 63 Tagen Wachstum im Stichling wurden die Larven in den Vogel-Endwirt überführt, der durch ein In-vitro-System, einen "Glasvogel", ersetzt worden war. Die im Vogel produzierten Eier des Bandwurms wurden aufgefangen und zum Schlüpfen gebracht. Die Frage, die die Forscher auf diese Weise zu beantworten hofften, lautete: Welche Kombination aus Zeit im Copepoden und Zeit im Stichling würde dem Bandwurm die höchste Darwinsche Fitness, also die höchste Anzahl geschlüpfter eigener Nachkommen bescheren?

In Liverpool entwickelten Geoff Parker und James Chubb mit den Ergebnissen der Transfer-Experimente ein mathematisches Modell, mit dem sie die optimale Zeit, die der Bandwurm im Copepoden wachsen sollte, vorhersagen konnten. "Danach gibt es ein optimales Zeitfenster von nur 2 Tagen - zwischen Tag 13 und Tag 15, in dem der Parasit den Wirt wechseln sollte", sagt Katrin Hammerschmidt. Würde es der Bandwurm schaffen, z.B. durch chemische Signale das Verhalten des Copepoden so zu manipulieren, dass er mit hoher Wahrscheinlichkeit vom nächsten Wirt, dem Stichling, gefressen würde?

"Der Clou war ein weiteres Experiment, in dem wir zeigen konnten, dass der Wechsel in den Stichlingswirt in der Mitte dieses ohnehin schon kleinen Zeitfensters tatsächlich durch parasitäre Manipulation am wahrscheinlichsten ist", freut sich Milinski (Abbildung 2). Damit haben die Evolutionsbiologen zum ersten Mal den Nachweis geliefert, dass sich ein Wirtswechsel für den Parasiten lohnt, weil er so optimiert ist, dass er die Fitness des Parasiten maximiert, "und das heißt in diesem Fall, die Anzahl seiner Nachkommen im Vogel", so der Max-Planck-Forscher.
Passend zum Darwin-Jahr haben die Forscher somit ein weiteres Geheimnis der Evolution gelüftet, nämlich warum Parasitismus eine so erfolgreiche Lebensform auf unserem Planeten ist. Doch möglicherweise könnten diese Erkenntnisse irgendwann auch einen praktischen Nutzen entfalten: "Man könnte neue Wege in der Malaria-Bekämpfung einschlagen und versuchen, das Kosten-Nutzen-Verhältnis des Wirtswechsels von der Mücke zum Menschen zu beeinflussen. Das ist natürlich noch in weiter Ferne, aber zumindest die Denkmöglichkeit ist jetzt da", sinnt Milinski. "Evolutionsbiologische Schädlingsbekämpfung" sozusagen - darüber hat bisher vermutlich wirklich noch niemand nachgedacht.

[CB]

Originalveröffentlichung:

Katrin Hammerschmidt, Kamilla Koch, Manfred Milinski, James C. Chubb und Geoff A. Parker

When to go: optimization of host switching in parasites with complex life cycles.Evolution 64 (Juni 2009)

Geoff. A. Parker, Michael A. Ball, James C. Chubb, Katrin Hammerschmidt und Manfred Milinski
When should a trophically transmitted parasite manipulate its host?
Evolution 63-2; 448-458 (2009)
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr. Manfred Milinski
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön
Tel.: +49 4522 763-254
E-Mail: milinski@evolbio.mpg.de

Dr. Felicitas von Aretin | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
22.09.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Lebendiges Gewebe aus dem Drucker
22.09.2017 | Universitätsklinikum Freiburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie