Wie konnten sich Seepferdchen über die Weltmeere ausbreiteten?

Wie konnten sich relativ unbewegliche Seepferdchen in 25 Millionen Jahren über die Weltmeere ausbreiteten und neue Arten bilden?

Eine Mitteilung der Universität Konstanz (englisches Original siehe unten) vom 18.02.21

Seepferdchen sind extrem schlechte Schwimmer. Erstaunlicherweise sind sie aber in allen Weltmeeren zu finden. Anhand von fast 360 verschiedenen Seepferdchen-Genomen hat eine Forschergruppe untersucht, wie sich diese besonderen Fische weltweit so erfolgreich ausbreiten konnten. Anhand eines Stammbaums von 21 Arten war es möglich, die Ausbreitungswege der Seepferdchen weltweit zu rekonstruieren und zu erklären, wo und wann neue Arten entstanden sind. Die internationale Forschungskooperation, an der das Forscherteam um den Evolutionsbiologen Professor Axel Meyer von der Universität Konstanz und Forscher aus China und Singapur beteiligt waren, konnte Faktoren identifizieren, die aus entwicklungsbiologischer Sicht zum Erfolg des Seepferdchens geführt haben: seine schnelle Anpassungsfähigkeit, indem es zum Beispiel immer wieder Stacheln in der Haut ausbildete, und seine schnellen genetischen Evolutionsraten. Die Ergebnisse werden am 17. Februar 2021 in Nature Communications veröffentlicht.

Seepferdchen der Gattung Hippocampus entstanden vor etwa 25 Millionen Jahren im Indopazifik aus Pfeifenfischen, ihren nächsten Verwandten. Und während letztere in der Regel recht gut schwimmen können, fehlen den Seepferdchen die Bauch- und Schwanzflossen und sie entwickelten stattdessen einen Greifschwanz, mit dem sie sich zum Beispiel an Algen oder Korallen festhalten können. Schon früh spalteten sie sich in zwei Hauptgruppen auf.

„Die eine Gruppe blieb hauptsächlich an einem Ort, während sich die andere über die ganze Welt verteilte“, sagt Dr. Ralf Schneider, der heute als Postdoc am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel forscht und als Doktorand im Forschungsteam von Axel Meyer an der Studie beteiligt war. In ihren ursprünglichen Heimatgewässern im Indopazifik diversifizierten die verbliebenen Arten in einer einzigartigen Inselumgebung, während die andere Gruppe über Afrika, Europa und Amerika in den Pazifik gelangte.

Mit dem Floß um die Welt

Die besonders große Menge an Daten, die für die Studie gesammelt wurde, ermöglichte es dem Forscherteam, einen besonders zuverlässigen Seepferdchen-Stammbaum zu erstellen, der die Beziehungen zwischen den Arten und die globalen Ausbreitungswege des Seepferdchens zeigt. Evolutionsbiologe Dr. Schneider sagt: „Wenn man die Beziehungen zwischen den Arten mit den Meeresströmungen vergleicht, stellt man fest, dass Seepferdchen über die Ozeane transportiert wurden.“ Wurden sie zum Beispiel bei Stürmen aufs Meer hinausgetragen, hielten sie sich mit ihrem Greifschwanz an allem fest, was sie finden konnten, etwa an einem Stück Alge oder einem Baumstamm. An solchen Stellen konnten die Tiere lange überleben. Die Strömungen trieben diese „Flöße“ oft Hunderte von Kilometern über den Ozean, bevor sie irgendwo landeten, wo die Seepferdchen abspringen und ein neues Zuhause finden konnten.

Da es Seepferdchen seit mehr als 25 Millionen Jahren gibt, war es wichtig zu berücksichtigen, dass sich die Meeresströmungen im Laufe der Zeit verändert haben, da sich tektonische Platten verschoben haben. Zum Beispiel war der Tethys-Ozean vor etwa 15 Millionen Jahren fast so groß wie das heutige Mittelmeer. Auf der Westseite, wo sich heute die Straße von Gibraltar befindet, war er mit dem Atlantischen Ozean verbunden. Auf der Ostseite, wo sich heute die Arabische Halbinsel befindet, führte er zum Indischen Ozean.

Tektonische Verschiebungen verändern Meeresströmungen

So konnten die Forscher herausfinden, dass die Seepferdchen über das Arabische Meer den Tethys-Ozean besiedeln konnten, kurz bevor sich die tektonischen Platten verschoben und die östliche Verbindung abriegelten. Die daraus resultierende Strömung nach Westen in Richtung Atlantik brachte die Seepferdchen nach Nordamerika. Einige Millionen Jahre später schloss sich auch diese westliche Verbindung und der gesamte Tethys-Ozean trocknete aus. Ralf Schneider: „Bisher war unklar, ob die Seepferdchen im Atlantik alle auf Arten aus dem Arabischen Meer zurückgehen, die entlang der Ostküste Afrikas nach Süden, um das Kap der Guten Hoffnung herum und über den südlichen Atlantik nach Südamerika gelangt sind. Wir fanden heraus, dass eine zweite Abstammungslinie von Seepferdchen genau das getan hatte, wenn auch später.“

Da das Forscherteam aus jedem Lebensraum 20 Tierproben sammelte, war es auch möglich, die genetische Variation zwischen den Individuen zu messen. Und dies zeigte im Allgemeinen: Je größer die Variation, desto größer die Population. „Wir können das Alter einer Variation anhand ihres Typs rekonstruieren. Damit lässt sich die Größe der Population zu verschiedenen Zeitpunkten berechnen“, erklärt der Evolutionsbiologe. Diese Berechnung zeigt, dass die Population, die den Atlantik nach Nordamerika überquert hat, sehr klein war, was die Hypothese stützt, dass sie aus wenigen Tieren entstanden ist, die von den Meeresströmungen dorthin gebracht wurden, während sie sich auf einem Floß festhielten. Die gleichen Daten zeigten auch, dass auch heute noch Seepferdchen aus Afrika den südlichen Atlantik überqueren und ihr genetisches Material in die südamerikanische Population einbringen.

Schnelle und flexible Anpassung

Seepferdchen verbreiteten sich nicht nur um die Welt, indem sie mit den Meeresströmungen reisten, sondern sie waren auch erstaunlich gut darin, sich in neuen Lebensräumen niederzulassen. Seepferdchen haben ein stark verändertes Genom und im Laufe ihrer Evolution haben sie viele Gene verloren, neue hinzugewonnen oder Duplikate erhalten. Das bedeutet: Seepferdchen verändern sich im Vergleich zu anderen Fischen sehr schnell. Das ist wahrscheinlich der Grund, warum sich schnell und unabhängig voneinander verschiedene Arten von „Knochenstacheln“ entwickelt haben, die Seepferdchen in manchen Lebensräumen vor Räubern schützen.

Es wurden einige der Gene identifiziert, die bei bestimmten Arten besondere Modifikationen aufweisen, die aber nicht bei allen Arten gleich sind. Mehrere schnelle und unabhängige Selektionen führten zur Entwicklung von Stacheln, und obwohl dieselben Gene eine Rolle bei dieser Entwicklung spielen, waren unterschiedliche Mutationen dafür verantwortlich. Dies zeigt, dass sich vor allem die langsameren, „sessilen“ Seepferdchen schnell an ihre Umwelt anpassen konnten. Dies ist einer der Hauptgründe, die das Forscherteam dafür nennt, dass Seepferdchen bei der Besiedlung neuer Lebensräume so erfolgreich sind.

(Übersetzung GfI mit Hilfe von www.DeepL.com/Translator); nachfolgend die Originalversion:

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How sessile seahorses speciated and dispersed across the world’s oceans in 25 million years

Seahorses are extremely poor swimmers. Surprisingly, however, they can be found in all of the world’s oceans. On the basis of almost 360 different seahorse genomes, a group of researchers studied how these special fish were able to spread so suc-cessfully worldwide. Based on an evolutionary tree of 21 species it was possible to reconstruct the dispersal routes of seahorses worldwide and to explain where and when new species emerged. The international research collaboration involving the research team led by evolutionary biologist Professor Axel Meyer at the University of Konstanz and researchers from China and Singapore was able to identify factors that led to the success of the seahorse from a developmental biology perspective: its quickness to adapt by, for example, repeatedly evolving spines in the skin and its fast genetic rates of evolution. The results will be published on 17 February 2021 in Nature Communications.

Seahorses of the genus Hippocampus emerged about 25 million years ago in the Indo-Pacific region from pipefish, their closest relatives. And while the latter usually swim fairly well, seahorses lack their pelvic and tail fins and evolved a prehensile tail instead that can be used, for example, to hold on to seaweed or corals. Early on, they split into two main groups.

„One group stayed mainly in the same place, while the other spread all over the world,“ says Dr. Ralf Schneider, who is now a postdoc-toral researcher at the GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, and participated in the study while working as a doctoral researcher in Axel Meyer’s re-search team. In their original home waters of the Indo-Pacific, the remaining species diversified in a unique island environment, while the other group made its way into the Pacific Ocean via Africa, Europe and the Americas.

Traveling the world by raft

The particularly large amount of data collected for the study enabled the research team to create an especially reliable seahorse tree showing the relationships be-tween species and the global dispersal routes of the seahorse. Evolutionary biologist, Dr. Schneider, says: „If you compare the relationships between the species to the ocean currents, you notice that seahorses were transported across the oceans.“ If, for example, they were carried out to sea during storms, they used their grasping tail to hold on to anything they could find, like a piece of algae or a tree trunk. These are places where the animals could survive for a long time. The currents often swept these „rafts“ hundreds of kilometers across the ocean before they landed someplace where the seahorses could hop off and find a new home.

Since seahorses have been around for more than 25 million years, it was important to factor in that ocean currents have changed over time as tectonic plates have shift-ed. For example, about 15 million years ago, the Tethys Ocean was almost as large as today’s Mediterranean Sea. On the west side, where the Strait of Gibraltar is lo-cated today, it connected to the Atlantic Ocean. On the east side, where the Arabian Peninsula is today, it led to the Indian Ocean.