Genetische Veränderungen erklären, warum baumbewohnende Schlangen längere Schwänze entwickelten

Forschende haben genetische Veränderungen ausfindig gemacht, die baumbewohnenden Schlangen in mehreren, voneinander unabhängigen Linien dabei halfen, längere Schwänze zu entwickeln.

Das Ergebnis zeigt, dass ähnliche Anpassungen in der DNA den Körperbau von Schlangen immer wieder neu formten – als Reaktion auf ein Leben in Bäumen.

Hinweise aus Schlangenkörpern

In einem Datensatz von 323 Schlangen aus 110 Arten zeigte sich das deutlichste Muster verlängerte Schwänze bei Arten, die überwiegend in Bäumen leben.

Durch den Vergleich dieser Arten brachte Jia-Tang Li vom Chengdu Institute of Biology (CIB) längere Schwänze unmittelbar mit vererbten genetischen Veränderungen in Verbindung.

In getrennten Schlangenlinien tauchte dasselbe Muster – ein längerer Schwanz – unabhängig voneinander auf. Das spricht für eine wiederholte evolutionäre Antwort statt für einen einzigen Ursprung.

Diese Wiederholung grenzt die Ursache auf konkrete biologische Mechanismen ein, die steuern, wie viele Wirbel im Schwanz entstehen.

Wozu längere Schwänze dienen

Auf schmalen Ästen verschafft ein längerer Schwanz einer Schlange mehr Kontaktpunkte und mehr Kontrolle, wenn sich der Körper verdreht.

Bereits frühere Studien hatten gezeigt, dass kletternde Baumarten längere Schwänze tragen als bodenlebende Verwandte – vermutlich, weil das Gleichgewicht und der Halt dadurch leichter werden.

In der neuen Auswertung stieg die Schwanzlänge so eng mit der Anzahl der Schwanzwirbel an, dass der Zusammenhang 0.91 erreichte.

Damit verschob sich die Kernfrage: weniger die äussere Form, sondern vielmehr, wie Embryonen am hinteren Ende fortlaufend neue Segmente anfügen.

Eine Genomkarte erstellen

Um die DNA hinter diesem Muster aufzuspüren, erstellte das CIB-Team ein hochwertiges Genom der grünen Katzenschlange.

Die neue Genomassemblierung umfasste 18 Chromosomen und erreichte in einem gängigen Vollständigkeitstest 98.1%.

Mit Boiga cyanea und der weit entfernten, ebenfalls baumbewohnenden Ahaetulla prasina konnten Forschende zwei voneinander unabhängige «Experimente» vergleichen, die die Evolution selbst durchgeführt hat.

Gerade der Vergleich weit auseinanderliegender Linien stärkte den Befund zur Konvergenz, weil übereinstimmende Signale sich dann schwerer als Zufall abtun lassen.

Gene unter Selektionsdruck

Mehrere gemeinsame Genveränderungen fanden sich in Teilen des Entwicklungsprogramms, das den wachsenden Körper in sich wiederholende Einheiten unterteilt.

Diese Einheiten sind Somiten – frühe Körperblöcke, aus denen später unter anderem Wirbel entstehen – und Schlangen bilden davon ungewöhnlich viele.

Zu den auffälligen Zielbereichen gehörten Gene, die beeinflussen, wann neue Körpersegmente entstehen, wo sie sich abgrenzen und wie sich die Wirbelsäule in die Länge entwickelt.

Weil beide baumbewohnenden Linien ähnliche Veränderungen zeigten, dürfte der längere Schwanz über denselben biologischen Entwicklungsweg entstanden sein.

Eine schnellere Uhr

Ein weiterer Hinweis liegt in der Segmentierungsuhr, einem molekularen Taktgeber, der in der frühen Entwicklung den Abstand neuer Körpersegmente festlegt.

Bei Schlangen läuft dieser Takt ungefähr 4-mal schneller als bei Mäusen oder Echsen, wodurch sich mehr Wirbelbausteine ausbilden können.

Die neue Studie identifizierte zusätzliche evolutionäre Veränderungen in Genen, die helfen, diesen Takt stabil zu halten.

Solche Signale belegen nicht jeden einzelnen Schritt direkt, verweisen aber auf das Entwicklungstempo als wahrscheinlichen Hebel.

Veränderungen an DNA-Schaltern

Die Anpassungen betrafen nicht nur Gene selbst, sondern auch nahe DNA-Abschnitte, die steuern, wann Gene aktiviert werden.

Mehrere dieser Kontrollregionen lagen in der Nähe zentraler Bestandteile des Systems, das festlegt, wo der Rumpf endet und der Schwanz beginnt.

In Labortests verhielten sich die meisten dieser Regionen bei baumbewohnenden Schlangen anders als bei Arten, die am Boden bleiben.

Solche Verschiebungen können das Timing des Wachstums verändern und damit längere Schwänze ermöglichen, ohne die Gene selbst umzuschreiben.

Evolution bleibt zielgerichtet

Das Leben in Bäumen hat sich bei Schlangen mehrfach entwickelt, doch es schien keine explosionsartige Zunahme neuer Arten auszulösen.

Die meisten Übergänge in diesen Lebensraum gingen von landbewohnenden Vorfahren aus und nicht von aquatischen Linien – ein Hinweis darauf, wo der wiederholte Wechsel typischerweise ansetzt.

Der längere Schwanz steht damit weniger für schnelle Diversifizierung als für eine spezifische funktionale Anpassung.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil nützliche Anatomie ein ökologisches Problem lösen kann, ohne die Zahl der Schlangenlinien zu vervielfachen.

Mehr als nur Schlangenschwänze

Ähnliche Entwicklungswege prägen bei Wirbeltieren auch andere Körperteile – deshalb reicht die Aussage über Schlangen hinaus.

Bei Mäusen kann die Veränderung eines einzelnen Gens den Schwanz entweder verkürzen oder zusätzliche Schwanzknochen entstehen lassen, je nachdem, wie stark das Timing des Wachstums beeinflusst wird.

Diese Parallele bei Mäusen macht das Schlangenergebnis plausibler, weil derselbe Weg in einem anderen Wirbeltier bereits nachweislich die Schwanzlänge verändert.

Zugleich spricht das dafür, dass Evolution häufig bestehende Entwicklungsprogramme nachjustiert, statt komplett neue zu erfinden.

Was noch fehlt

Trotz starker Hinweise aus den Genomen lässt sich bislang nicht in Echtzeit beobachten, wie genau diese DNA-Veränderungen einen Schlangenembryo umformen.

Lis CIB-Team und die beteiligten Partner verfügen weiterhin nicht über die flexiblen Laborsysteme, wie sie bei Mäusen üblich sind – das bremst direkte Tests in Schlangenembryonen.

Künftige Arbeiten müssen Kandidaten-Schalter oder -Gene gezielt umlegen und anschliessend das Schwanzwachstum messen.

Bis dahin liefert die Studie die bislang klarste Erklärung, auch wenn einzelne Kausalketten noch bestätigt werden müssen.

Was das bedeutet

Das Leben in Bäumen begünstigte wiederholt längere Schlangenschwänze, und die Evolution reagierte darauf, indem sie sowohl Gene als auch die DNA-Schalter veränderte, die das Wirbelwachstum steuern.

Diese Einsicht könnte Biologinnen und Biologen langfristig dabei helfen zu prüfen, wie sich Körperpläne zwischen Arten verändern – von Reptilien, die sich an Äste klammern, bis hin zu Säugetieren.