Forschung

Die zentralen Fragen der Evolutionsbiologie behandeln die Entstehung der Vielfalt der Arten (Biodiversität) und die der Vielgestaltigkeit der Organismen (Biodisparität). Genauso wie die Vielfalt ist auch die Vielgestaltigkeit ein Resultat der Evolution. Die Evolutionäre Morphologie beschreibt und interpretiert die Disparität der Organismen und bedient sich dabei klassischer, sowie moderner, innovativer Methoden der Morphologie. Aufbauend auf phylogenetischen Analysen, die uns Auskunft über die stammesgeschichtlichen Verwandtschaftsbeziehungen von Organismen geben, versuchen wir die Evolution von Organsystemen und Merkmalseinheiten zu verstehen. Dabei werden die Veränderungen einzelner Merkmale (Merkmalstransformationen) stets im Kontext des gesamten Organismus betrachtet. Schließlich geht es auch um ein Verstehen der kausalen Mechanismen, die zu Veränderungen im Laufe der Evolution geführt haben. Evolutionäre Morphologie ist daher nicht nur eine beschreibende, sondern auch eine erklärende Disziplin.
Im Zentrum unserer Untersuchungen stehen die Arthropoda, nicht nur das artenreichste Taxon innerhalb des Tierreiches, sondern wohl auch das vielgestaltigste.
Derzeit beschäftigen wir uns mit der Evolution exoskelettaler Funktionseinheiten (Bewegungs- und Stützapparat) und der assoziierten Muskulatur. Außerdem mit der Evolution des Kreislaufsystems, des Nervensystems und der Sinnesorgane. Untersuchungen erfolgen mit Hilfe von histologischen Schnittserien, Mikro-Computertomographie und konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie, sowie darauf aufbauender, digitaler 3D-Rekonstruktion. Ebenso sind Elektronenmikroskopie und immunhistochemische Färbungen etablierte Methoden unserer Arbeitsgruppe.

Die Phylogenetische Systematik versucht die stammesgeschichtlichen Verwandtschaftsbeziehungen der Arten zu klären. Sie bedient sich dabei morphologischer Merkmale, aber vermehrt auch molekularer Methoden. Ein zentraler Aspekt stellt die Homologienforschung dar. Morphologische Merkmale werden detailliert untersucht und mit den Merkmalen anderer Arten verglichen. Bei Übereinstimmungen in Struktur und Lage oder in der Entwicklung kann auf einen gemeinsamen Ursprung dieser Merkmale geschlossen werden. Dieser gemeinsame Ursprung ist zumeist aus gemeinsamer stammesgeschichtlicher Herkunft zu erklären. Homologe Merkmale lassen aber nur dann direkte Schlüsse auf die Verwandtschaftsbeziehungen zu, wenn es sich um abgeleitete, apomorphe Merkmale handelt. Ursprüngliche (plesiomorphe) Merkmale können nicht zur Rekonstruktion herangezogen werden. Für morphologische phylogenetische Analysen werden eine Vielzahl von Merkmalskomplexen untersucht und berücksichtigt. Es gibt a priori keine Merkmale, die weniger oder besser geeignet sind. Neben morphologischen Merkmalen bedienen wir uns auch der Analyse unterschiedlicher molekularer Marker. Dabei ist es wichtig, möglichst nicht nur einzelne Gene, sondern eine Reihe unterschiedlicher Loci zu untersuchen. Molekulare und morphologische Methoden ergänzen sich bei der Klärung der Verwandtschaftsbeziehungen. Keinesfalls können molekulare Marker Analysen morphologischer Merkmale ersetzen.
Im Zentrum unserer Untersuchungen stehen Arthropoden, vor allem die Malacostraca ("Crustacea"). Laufende Untersuchungen beschäftigen sich insbesondere mit der Phylogenie der Peracarida, zu denen beispielsweise Asseln (Isopoda) und Flohkrebse (Amphipoda) gehören. Neben der praktischen Durchführung phylogenetischer Analysen beschäftigen wir uns auch mit theoretischen Aspekten der Methodik der computergestützten Kladistik. Dazu zählen beispielsweise der Umgang mit ontologischen Merkmalsabhängigkeiten und die Suche nach objektiven Methoden zum sinnvollen Ausgleich des typischen Ungleichgewichts morphologischer und molekularer Daten zur Durchführung kombinierter „Total Evidence“-Analysen.

Die Ichthyologie ist das Teilgebiet der Zoologie, das sich mit Fischen bzw. fischartigen Wirbeltieren (Knochenfische, Knorpelfische & Rundmäuler) befasst. Die Unterwarnow als einziges Ästuar der südlichen Ostsee sowie die sich in unmittelbarer Umgebung befindenden Bodden und Haffe (Darß-Zingster-Boddenkette, Rügensche Bodden, Greifswalder Bodden, Strelasund und Stettiner Haff) bilden interessante Untersuchungsgebiete hinsichtlich ihrer Fischartenzusammensetzung als Mix aus primären Süßwasser- bzw. Salzwasserfischarten. Dominiert werden die Ichthyozönosen von Süßwasserarten, die sich an die oligo- und mesohalinen Bedingungen dieser sogenannten „inneren Küstengewässer“ angepasst haben und in großer Biomasse vorkommen. Aufgrund dieses Fischreichtums werden diese Gewässer nach wie vor von der kleinen Küstenfischerei bewirtschaftet. Um ein ökosystembasiertes Fischereimanagement gewährleisten zu können, müssen die Anforderungen der Fischarten an diese besonderen Lebensräume erforscht werden. Interessante Forschungsgebiete sind demzufolge die physiologischen und ökologischen Anpassungen der Süßwasserarten an den salzigen Lebensraum. Der Fokus unserer Forschungsarbeit liegt aktuell auf der Reproduktions- und Raumökologie von Hecht (Esox lucius) und Flussbarsch (Perca fluviatilis). Trotz Süßwasserursprungs sind adulte Individuen in der Lage in die Ostsee und ihre Lagunen zu wandern und dort zu fressen, doch pflanzen sie sich dort auch fort und wenn ja, welche Salinitäten werden präferiert? Mittels Freilanduntersuchungen, Erbrütungsexperimenten, mikrochemischen Analysen der Otolithen sowie genetischen Untersuchungen wollen wir diese Fragen möglichst breit gefächert beantworten, um der Bedeutung dieser Arten, einerseits als Prädatoren im Nahrungsgefüge, andererseits als wichtige Wirtschaftsfaktoren der Region (Berufsfischerei, Angeltourismus), gerecht zu werden.

Wie lässt sich die faszinierende biologische Vielfalt in ein verständliches System einordnen, welches die evolutionären Beziehungen zwischen Lebewesen widerspiegelt und somit das Fundament der gesamten organismischen Biologie schafft? Mit nicht weniger als dieser Frage beschäftigt sich die Taxonomie. Ihre Aufgabe ist es, alle Lebewesen zu erfassen, nach international festgelegten Regeln zu benennen und systematisch einzuordnen. Dafür ist es notwendig, biologische Arten und höhere taxonomische Einheiten (Gattung, Familie etc.) zu erkennen und diese gegen ähnliche bzw. verwandte Einheiten (Taxa) abzugrenzen. Ein anspruchsvolles Unterfangen, denn noch immer werden jedes Jahr hunderte neuer Arten auf der Erde entdeckt. Hierfür sind spannende Exkursionen in wenig erforschte Lebensräume, das ermittlerische Studium von Sammlungsmaterial in Museen und der Software-basierte Vergleich von DNA-Sequenzen unerlässlich. Ebenso unerlässlich ist zudem eine tiefgreifende Kenntnis aller Taxa der betrachteten Gruppe und Ihrer Merkmale. Hierbei kombinieren wir modernste Methoden der Morphologie und molekularen Genetik. Mit Hilfe der Röntgenmikroskopie haben wir nicht nur neue Laufkäfer-Arten im Eozänen Bernstein entdeckt, sondern auch eine neue Sicht auf die Taxonomie bisher bekannter Fossilien gewonnen. Auf Expeditionen wurden neue Laufkäfer in Tibet, im Himalaya und im Hochland von Äthiopien gefunden und mit Hilfe neuer molekulargenetischer Methoden wie dem ddRad-sequencing kryptische Arten von Tasmanischen Berggarnelen und anderer australischer Süßwasserkrebse identifiziert sowie deren Ausbreitungsgeschichte rekonstruiert. Aus diesen Forschungsarbeiten resultiert somit nicht nur die Entdeckung und Beschreibung zahlreicher neuer Arten, sondern auch ein tieferes Verständnis der Evolution der Taxa selbst sowie ihrer Lebensräume. Neben diesen "exotischen" Forschungsgebieten findet die Erforschung regionaler Biodiversität vor allem in Küstenlebensräumen der Ostsee statt. Hierbei werden unter anderem die Auswirkungen verschiedener Nutzungsformen und der Einfluss des Klimawandels auf Insekten und Spinnen untersucht und so ein integraler Beitrag zum einheimischen Naturschutz geleistet.

Welche Prozesse stecken hinter der beeindruckenden Vielfalt (Biodiversität) und Vielgestaltigkeit (Biodisparität) an rezenten und ausgestorbenen Organsimen, die wir auf der Erde finden? Die Evolutionäre Entwicklungsbiologie (engl. evolutionary developmental biology oder kurz „Evo-Devo“) beleuchtet die Schnittstelle zwischen Entwicklung und Evolution und versucht so, genau diese Frage zu klären. Sie untersucht, wie Veränderungen in Entwicklungsprozessen von Organismen zu evolutionären Veränderungen führen können.

Eines der Schlüsselkonzepte der Evolutionären Entwicklungsbiologie, an dem wir in unserer Arbeitsgruppe arbeiten, ist die Modularität. Das Konzept der Modularität beschreibt den Aufbau von Organismen aus vielen, quasi-autonomen Untereinheiten (Zellen, Geweben, Organen, etc.) – sogenannten Modulen. Diese Module können dann innerhalb eines Entwicklungssystems in unterschiedlichem Maße verändert werden ohne dabei das System als Ganzes zu stören. Evolutionäre Veränderungen des Entwicklungszeitpunktes (Heterochronie), des Entwicklungsortes (Heterotopie) oder der Intensität von Entwicklungsprozessen (Heterometrie) in unterschiedlichen Modulen können so zu einer Neustrukturierung der Individualentwicklung (engl. developmental repatterning) und so zur Entstehung neuer Merkmale führen. Jedoch sind nicht alle dieser Module in gleichem Maße veränderbar. Einige stehen unter hohen genetischen, entwicklungsbiologischen und funktionalen Zwängen (engl. constraints) welche ihre Veränderbarkeit und somit die evolutionären Möglichkeiten begrenzen.

Ziel unserer Arbeitsgruppe ist es, solche entwicklungsbiologischen Zwänge aufzudecken und ihre Rolle bei der Evolution von Biodiversität und Biodisparität zu klären. Für ein ganzheitliches Bild und zur Überprüfung der allgemeinen Erklärungskraft dieser Konzepte arbeiten wir neben Wirbeltieren (Vertebrata) an weiteren Organismengruppen wie einzelligen Kragengeißeltierchen (Choanoflagellaten), Rippenquallen (Ctenophora) und Gliederfüßern (Arthropoda). Um die Veränderungen der komplexen morphologischen Merkmale zu untersuchen verwenden wir hochauflösende Bildgebungsverfahren wie konfokale Laser-Raster- und Röntgen-Mikroskopie (µCT) in Verbindung mit modernsten 3D-Darstellungstechniken sowie morphometrische Methoden und anatomische Netzwerkanalysen.

Die Phylogeographie versucht, die Verbreitungsmuster von Arten und Populationen bzw. genetischen Linien zu erklären und die gegenwärtigen und historischen geographischen und ökologischen Ursachen sowie die zugrundeliegenden phylogenetischen Prinzipien und Prozesse zu verstehen. Sie verbindet dabei die Biogeographie mit phylogenetischer Systematik und Populationsgenetik und bedient sich verschiedener molekulargenetischer und biostatistischer Verfahren. Phylogeographie kann somit dazu beitragen, vergangene ökologische bzw. geologische Ereignisse wie Höhlen- oder Gebirgsbildung, Vergletscherungen oder Klimaveränderungen zu rekonstruieren. Da Separationsereignisse zur Trennung von Populationen, vermindertem Genfluss und schließlich zur Artbildung führen, können auch Artbildungsprozesse mit Hilfe der Phylogeographie nachvollzogen werden.

Im Zentrum unserer aktuellen phylogeographischen Untersuchungen stehen verschiedene Gruppen der Gliedertiere (Arthropoda), vor allem Krebstiere ("Crustacea") und Käfer (Coleoptera) sowie Amphibien. Insbesondere beschäftigen wir uns mit Tasmanischen Berggarnelen (Anaspides), Süßwasserasseln (Phreatoicidea) und Kiemenfußkrebsen (Branchipoda) Australiens, sowie Laufkäfern (Carabidae) des Himalayas und des äthiopischen Hochlandes. Die Tasmanischen Berggarnelen, oft als lebende Fossilien bezeichnet, besiedeln Bergseen in den entlegenen montanen Regionen Tasmaniens sowie eine Vielzahl an Höhlensystemen. Gleiches gilt für die Süßwasserasseln. In beiden Gruppen versuchen wir, die Einwanderungen in den unterirdischen Lebensraum, auch im Zusammenhang mit den Vergletscherungen Tasmaniens, sowie die nacheiszeitliche Besiedlungsgeschichte der Bergplateaus zu rekonstruieren. Phylogeographische Arbeiten an verschiedenen Gruppen der Laufkäfer und Amphibien dienen der Rekonstruktion von Gebirgsbildungen und Klimagenese in Hochasien und Ostafrika.