Nischen in der Natur

Tiere teilen ihren Lebensraum mit vielen anderen Arten. Wenn diese Arten untereinander um die gleichen Ressourcen wie z.B. Nahrung, Nistplätze oder Deckung konkurrieren, können evolutionäre Konfliktsituationen entstehen, die nicht nur die Zusammensetzung von Artengemeinschaften beeinflussen, sondern auch als die treibende Kraft evolutionärer Spezialisierungen und Artenbildung angesehen werden können. Wir untersuchen ökologische und physiologische Anpassungen von Säugetieren, die zu ihrem Fortbestehen und ihrer Überlebensfähigkeit innerhalb von Artengemeinschaften und Ökosystemen beitragen, welche durch den zunehmenden Einfluss des Menschen geprägt sind.

Artentstehung - Phylogeographie

Die Frage „Wie und wo entstehen Arten?“ ist die Kernfrage der Phylogeographie. Hier werden Prozesse der Artentstehung im geographischen Kontext untersucht. Dass Artentstehungsprozesse nicht gleichmäßig über die Erde verteilt ablaufen, zeigt ein Blick auf die Verteilung der sogenannten „Biodiversität-Hotspots“. Offensichtlich gibt es Ökosysteme und die mit ihnen verknüpften ökologischen Nischen (z.B. Regenwälder Amazoniens und Südostasiens), die die Entstehung von Arten stärker begünstigen als andere. Auf molekularer Ebene ist Artentstehung immer mit dem Auftreten neuer Mutationen verknüpft. Letztere können neutral sein (also keinen Fitnessvorteil mit sich bringen) oder aber selektive Vor- bzw. Nachteile bedingen. Eine der uns beschäftigenden Fragen ist nun, ob Artentstehung an das Auftreten bestimmter Mutationen geknüpft ist (Schlüsselmutationen), oder ob es sich um einen rein stochastischen (zufälligen) Prozess handelt. Um Zufallsprozesse von durch Selektion bedingten Prozessen unterscheiden zu können, suchen wir in verschiedenen Zeithorizonten nach Mustern in der genetischen Ausstattung von Individuen/Populationen/Arten, die sich durch den Einfluss von abiotischen Faktoren erklären lassen. Bei letzteren unterscheiden wir zwischen langsam ablaufenden (Klimawechsel während der letzten Eiszeit) und schnell (Katastrophen; z.B. Vulkanausbrüche) ablaufenden Prozessen.

Der Inseln des Sundaschelfs in Südostasien sind für uns ein besonders attraktiver Schaukasten der Evolution. Das Sundaschelf ist nicht nur eine der artenreichsten Regionen der Erde, sondern auch eine Region, dessen Topographie in der letzten Eiszeit gravierenden Veränderungen unterworfen war. Fluktuierende Meeresspiegel (niedrig in den kalt-trockenen Kälteperioden, höher in den warm-feuchten Zwischenwarmzeiten) bedingten, dass die Inseln des Sundaschelfs in Kälteperioden durch Landbrücken verbunden wurden (sog. Sundaland), die in Warmzeiten wieder überspült wurden. Die durch den Wechsel von Kalt- und Warmzeiten hervorgerufenen klimatischen und geographischen Veränderungen hatten weitreichende Folgen für die in dieser Region vorkommenden Arten. Hypothetisch sollten generalistische Arten in Kaltzeiten in der Lage gewesen sein, über bestehende Landbrücken auch andere Teile Sundalands zu besiedeln, während auf bestimmte Lebensräume spezialisierte Arten nur dann aus ihrer Nische auswandern konnten, wenn sich auf den Landbrücken ihrer Nische sehr ähnliche Lebensräume etabliert hatten. Interessanterweise zeigte die Untersuchung verschiedener generalistischer Raubtierarten kein derartiges Verteilungsmuster, sodass neben den Einflüssen der eiszeitlichen Veränderungen Ausschau nach weiteren Einflussfaktoren auf Artentstehung und Artverteilung gehalten werden muss. Katastrophenereignisse, wie der Ausbruch des Vulkans Toba vor rund 74.000 Jahren, können lokal zum Aussterben von Arten geführt haben, können Artverteilungsmuster durch Rückdrängen von Arten in Refugialgebiete verändert haben, oder die Entstehung neuer Arten durch Schaffung neuer ökologischer Nischen begünstigt haben. Artbildungsprozesse laufen natürlich nicht nur in Biodiversität-Hotspots, sondern überall dort ab, wo Arten vorkommen, da Evolution ein andauernder Prozess ist, der alle existierenden Lebensformen betrifft. Im europäischen Maßstab befassen wir uns vorwiegend mit der Phylogeographie ausgewählter Lagomorpha (Feldhasen und Wildkaninchen), Cervidae (Hirschartige und Rehe) und Carnivora (hier: Luchs, Otter). Als in den letzten 2,6 Millionen Jahren während verschiedener Kaltzeiten mehrmals die Gletscher aus dem Norden weit bis nach Mitteleuropa vordrangen, fanden viele Arten Zuflucht in weiter südlich und südwestlich gelegenen Refugialregionen. Die Isolation von Populationen dieser Arten in verschiedenen Refugien sorgte dafür, dass sich diese genetisch nicht mehr austauschen konnten und sich somit unabhängig voneinander weiterentwickelten. Die Spuren dieser zeitweiligen Isolation finden wir noch heute im Erbgut dieser Tierarten.

Nischen für Fledermäuse

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Energiekosten für die Fortbewegung

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Wie Tiere ihren Lebensraum räumlich und zeitlich nutzen

Mit Hilfe von Telemetrie-Halsbändern kann man heute das Verhalten von wildlebenden Tieren viel besser beobachten als früher. Über Satelliten-Ortungssysteme liefern z.B. solche Telemetriesysteme automatisch viele Monate lang detaillierte Informationen über den Aufenthaltsort des Halsbandträgers. Aus diesen Daten wiederum lassen sich eine ganze Reihe Informationen ablesen: Zum Beispiel wo das Tier aktiv ist und in welchen Gebieten es ruht. Am IZW untersuchen wir mit dieser Methode sowohl Pflanzenfresser (u.a. Rehe) als auch Raubtiere wie Bären und Leoparden.

Rehe ruhen in Dickungen und sind zu verschiedenen Tageszeiten auf Wiesen, Feldern und am Waldrand aktiv. Aber nicht nur die Suche nach Nahrung und einem geeigneten Partner bestimmt das Bewegungsmuster der Tiere. Sie berücksichtigen auch mögliche Störungen durch den Menschen (wie zum Beispiel durch Jagd oder Tourismus) und versuchen auch, ihren natürlichen Feinden aus dem Weg zu gehen, indem sie Gegenden meiden, in denen die größte Gefahr durch Raubtiere droht.

Da die reinen Positionsdaten allein nur wenige Informationen über das spezielle Verhalten der besenderten Tiere liefern, werden die Halsbänder zusätzlich noch mit Beschleunigungssensoren ausgestattet. Mittels zeitgleicher Beobachtung bzw. Kameraaufzeichnung können die Messungen der Beschleunigungssensoren den Bewegungsmustern bestimmten Verhaltensweisen zugeordnet werden. Meist geschieht diese Zuordnung zunächst unter kontrollierten Bedingungen, zum Beispiel an Tieren in einem großen Gehege, und kann später an freilebenden Tieren angewendet werden, um deren Verhalten in natürlicher Umgebung automatisch aufzuzeichnen und zu erkennen.

Dann kann man zum Beispiel genau feststellen, ob ein Leopard gerade frisst. Es lässt sich auch herausfinden, an welchen Orten und zu welcher Zeit die mit Sendern ausgerüsteten Tiere Beute gemacht haben. Dies wiederum verrät viel über die Ernährungsgewohnheiten von freilebenden Leoparden, die oft in unwegsamem Gelände leben, wo direkte Verhaltensbeobachtungen unmöglich sind.

Ernährung und Verdauung

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Elefanten-Kommunikation im Infraschall

Elefanten erzeugen Infraschalllaute, sogenannte rumbles, um mit Artgenossen zu kommunizieren. Die Grundfrequenz dieser Laute liegt bei weniger als 20 Hertz; sie sind daher für den Menschen gerade noch wahrnehmbar. Die niedrigen Frequenzen der rumbles bestätigen die Faustregel, nach der große Säugetiere tiefere Laute hervorbringen als kleine. Allerdings war lange Zeit umstritten, wie Elefanten diese Laute erzeugen. Nach einer Erklärung sollten sie dadurch zustande kommen, dass die Stimmfalten – ähnlich wie beim Schnurren der Hauskatze – durch einzelne, sehr schnell aufeinanderfolgende Kontraktionen bestimmter Kehlkopfmuskeln in Schwingung versetzt werden, wobei jede dieser Kontraktionen einen Nervenimpuls erfordert. Nach einer anderen Erklärung entstehen die rumbles in ganz ähnlicher Weise wie die Stimme des Menschen. Die Stimmfalten werden durch anhaltende Kontraktionen von Kehlkopfmuskeln in die Stimmposition gebracht, d.h. einander genähert und gespannt; danach werden sie durch den Strom der Ausatemluft aus den Lungen in Schwingung versetzt. Auch dieser Modus der Lauterzeugung benötigt Nervenimpulse, um die Muskelkontraktionen für die Dauer der Lauterzeugung aufrechtzuerhalten.

Diese beiden Hypothesen wurden am Kehlkopf eines 25-jährigen weiblichen Elefanten in einer Zusammenarbeit vom IZW und der Universität Wien überprüft. Der Elefant war im Oktober 2010 im Tierpark Berlin an einer Infektion gestorben. Bei der anschließenden pathologischen Untersuchung im IZW wurde der Kehlkopf entnommen und anschließend im Labor der Abteilung Kognitionsbiologie (Prof. WT Fitch) in Wien untersucht.

Bestätigung von Hypothese 2: Im Rahmen des in Wien durchgeführten Experimentes wurde körperwarme Luft mit 100% Feuchtigkeit durch den Kehlkopf geleitet. Die anhaltenden Muskelkontraktionen zur Annäherung und Anspannung der Stimmfalten wurden durch entsprechende Manipulation der beiden Stellknorpel des Kehlkopfes, an denen die Stimmfalten ansetzen, durch einen Experimentator simuliert. Die erzeugten Laute waren den rumbles lebender Elefanten verblüffend ähnlich. Das Experiment zeigte, dass die zweite Erklärung ausreicht, um die Entstehung der rumbles zu erklären.

Widerlegung von Hypothese 1: Da der entnommene Kehlkopf keine Nervenimpulse mehr erhält, können keine schnell aufeinanderfolgenden Muskelkontraktionen auftreten. Auch sind diese vom Experimentator nicht simulierbar. Daher scheidet, zumindest im Experiment, die erste Erklärung aus.

Die tiefe Grundfrequenz der rumbles bei Elefanten erklärt sich aus der Größe der Stimmorgane. Die Stimmfalten eines Elefanten haben eine absolute Länge von etwa 10 cm und einen Durchmesser von etwa 2 cm. Die beträchtliche Größe (Länge, Volumen und Masse) der Stimmfalten begünstigt offenbar das Auftreten nicht-linearer Phänomene (Perioden-Verdoppelung, Biphonation, Bifurkation), die im Experiment häufig beobachtet wurden.

Die Berechnung der Grundfrequenz der rumbles mit Hilfe eines Computermodells ergab einen Wert von 18,43 Hertz; im Experiment mit dem entnommenen Kehlkopf wurden 16,38 Hertz gemessen. Auch die Modellierung im Computer bestätigte also, dass die tief-frequenten rumbles der Elefanten im Prinzip genauso erzeugt werden wie die Rufe der meisten anderen Säugetiere und wie die Stimme des Menschen. Die tiefe Grundfrequenz der rumbles ist eine Folge der Körpergröße der Elefanten, die mit einer entsprechenden Größe des Kehlkopfes und einer entsprechenden Länge und Größe der Stimmfalten einhergeht.

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