Vom Ausweichen zum Angriff

Auf den Punkt gebracht

• Wie Jagdverhalten entstand: Forschende zeigen, wie ein Nematode die Fähigkeit entwickelte, aktiv Beute zu jagen.
• Zentrales Gen für Beuteerkennung: Das mechanosensorische Gen Ppa-mec-6 ist essenziell für die Reaktion auf Berührungen, hat jedoch zusätzlich eine spezialisierte Funktion bei der Erkennung von Beute entwickelt.
• Zwei Sinne im Zusammenspiel: Erst das Zusammenspiel von Tast- und Geruchssinn ermöglicht erfolgreiches Jagdverhalten.
• Neuronaler Kontaktpunkt: Beide sensorischen Signale laufen in denselben IL2-Neuronen zusammen, die die Angriffsreaktion auslösen.
• Verborgene Verhaltensstruktur sichtbar gemacht: Maschinelles Lernen deckt unterschiedliche Jagdzustände auf, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind.

Wie entstehen neue Verhaltensweisen? Eine Studie an räuberischen Nematoden zeigt, dass Jagdverhalten durch die Umfunktionierung sensorischer Systeme entstand, die ursprünglich der Gefahrenvermeidung dienten. Durch die Kombination von Genetik, Neurowissenschaften und maschinellem Lernen zeigen die Forschenden, wie Tast- und Geruchssinn neu verschaltet wurden und so aus einem harmlosen Nahrungsaufnehmer ein aktiver Räuber wurde.

Zu verstehen, wie neue Verhaltensweisen entstehen, ist eine zentrale Fragestellung der Evolutionsbiologie. Tiere verfügen häufig über ähnliche sensorische Bausteine, nutzen diese jedoch auf sehr unterschiedliche Weise. In einer neuen Studie zeigen Forschende, wie evolutionäre Veränderungen in sensorischen Systemen das Auftreten räuberischen Verhaltens beim Nematoden Pristionchus pacificus ermöglicht haben.

Im Gegensatz zu seinem nahen Verwandten Caenorhabditis elegans, der sich ausschließlich von Mikroorganismen ernährt, kann P. pacificus aktiv andere Nematoden jagen und töten. Um zu verstehen, wie sich dieser Verhaltenswechsel entwickelte, untersuchten die Forschenden systematisch Gene der Mechanosensorik und analysierten, wie Veränderungen in der sensorischen Verarbeitung das Verhalten beeinflussen. Dabei identifizierten sie das Gen Ppa-mec-6 als einen entscheidenden Faktor für die Beuteerkennung. Während mehrere Gene für die allgemeine Tastempfindlichkeit erforderlich sind, übernimmt Ppa-mec-6 eine zusätzliche spezialisierte Rolle bei der Erkennung von Beute. Entsprechend zeigten Tiere ohne dieses Gen nicht nur eine verminderte Reaktion auf Berührungen, sondern auch gravierende Defizite im Jagdverhalten.

Die Studie zeigt zudem, dass Jagdverhalten nicht auf einem einzelnen Sinn beruht. Stattdessen integriert P. pacificus mechanische und chemische Informationen, um Beute zu erkennen und anzugreifen. Das gleichzeitige Ausschalten beider sensorischer Modalitäten führte zu deutlich stärkeren Beeinträchtigungen als der Verlust eines einzelnen Sinnes und unterstreicht die Bedeutung multisensorischer Integration. Auf neuronaler Ebene laufen beide sensorischen Signalwege in denselben, der Umwelt ausgesetzten IL2-Neuronen zusammen. Diese Neuronen bilden den ersten Kontaktpunkt zwischen Räuber und Beute und fungieren als sensorischer Knotenpunkt, der kombinierte Signale in Angriffsverhalten übersetzt. Das gezielte Ausschalten dieser sowie weiterer Ppa-mec-6-exprimierender Neuronen reichte aus, um die Prädation stark zu beeinträchtigen. Um die volle Komplexität des Jagdverhaltens zu erfassen, nutzten die Forschenden automatisiertes Tracking in Kombination mit maschinellem Lernen. So konnten sie subtile Verhaltenszustände wie räuberische Suche oder Beißen von nicht-räuberischen Bewegungen unterscheiden.

Zusammen zeigen die Ergebnisse, wie Evolution bestehende sensorische Schaltkreise umfunktionieren kann, um völlig neue ökologische Funktionen zu ermöglichen. Neuronale Systeme, die ursprünglich der Gefahrenvermeidung dienten, wurden so umgebaut, dass sie zusätzlich das aktive Erkennen und Verfolgen von Beute unterstützen. Durch die Verknüpfung genetischer Veränderungen mit neuronaler Integration und Verhalten liefert die Studie ein detailliertes Beispiel dafür, wie komplexe Verhaltensweisen durch evolutionäre Neuverschaltung entstehen können.

Ãœber die Forschungsgruppe

Die Lightfoot Forschungsgruppe unter der Leitung von James W. Lightfoot untersucht, wie neue Verhaltensweisen entstehen, indem zwei Nematodenarten mit stark unterschiedlichen Lebensweisen verglichen werden. Mithilfe von Genetik, Neurowissenschaften und quantitativer Verhaltensanalyse erforscht die Gruppe, wie sensorische Systeme und neuronale Schaltkreise für Prädation und Verwandtenerkennung umfunktioniert wurden.

Ãœber das Institut

Das MPI für Neurobiologie des Verhaltens – caesar (MPINB) in Bonn betreibt Grundlagenforschung im Bereich der Neuroethologie. Das internationale Forscherteam untersucht, wie durch die kollektive Aktivität vielzähliger Nervenzellen tierisches Verhalten in seiner ganzen Bandbreite entsteht. Die interdisziplinäre Forschung reicht von der Darstellung neuronaler Schaltkreise auf Nano-Ebene bis zur Analyse neuronaler Aktivität bei einem sich frei bewegenden und sich natürlich verhaltenden Tier. Das MPINB arbeitet eng mit der Universität Bonn und anderen Forschungsinstituten der Region zusammen und bildet die nächste Forschergeneration aus, unter anderem in einer gemeinsamen Graduiertenschule.