Ein Frosch piepst um die Welt 2

Dieses Youtube-Video des Naturliebhabers Dean Boshoff wird gerade unter dem Titel „Süßester Frosch der Welt“ herumgereicht. Im Laufe der letzten Woche haben schon mehr als 2 Millionen Menschen den kleinen Piepser angeklickt.

Breviceps macrops, so heißt dieser Winzling aus der Familie der Kurzkopffrösche, lebt in Südafrika, in einer trockenen Gegend mit Sanddünen und sehr spärlicher Vegetation. Auf englisch heißt er „desert rain frog“. Aber wie überlebt ein Frosch in der Wüste? B. macrops bewohnt einen nur 10 Kilometer schmalen Streifen zwischen Küste und Hinterland, ein Bereich, in dem durch Küstennebel regelmässig etwas Feuchtigkeit niedergeht. Tagsüber bleibt er meist unter dem Sand vergraben, in einer Tiefe von 10-20 cm. Nachts kommt er an die Oberfläche und jagt nach Käfern und anderen Kleintieren.

Interessant ist das Tier und sein trockenes Habitat auch aus entwicklungbiologischer Sicht. Anders als die meisten anderen Frösche muss Breviceps kein offenes Wasser aufsuchen, um Eier zu legen. Das Kaulquappenstadium, in dem die freischwimmende Larven über Kiemen atmen, und die anschliessende Metamorphose fallen aus; aus dem Breviceps-Ei schlüpft direkt ein kleiner Frosch, mit Beinen und Lungenatmung. Diese direkte Entwicklung ist ein „abgeleitetes Merkmal“, das heißt, die Vorfahren der Kurzkopffrösche hatten noch ein aquatisches Larvenstadium; aber die natürliche Selektion hat dann Abkömmlinge dieser „normalen Frösche“ hervorgebracht, die ohne das Kaulquappenstadium auskommen – vermutlich als Anpassung an den wasserarmen Lebensraum.

Solch eine Abweichung vom Schema

Eiablage – > Geburt– > Metamorphose –> Pubertät –> erwachsenes Tier

heißt „Heterochronie“ und kommt bei Amphibien in unzähligen Varianten vor. Evolutionsbiologen interessieren sich für solche „heterochronischen Verschiebungen“ auch deshalb, weil sie an ihnen exemplarisch die Wechselwirkungen zwischen Evolution, Ökologie und Entwicklungsbiologe studieren können.

Entscheidend für das Timing der Metamorphose sind die Schilddrüsenhormone, die bei allen Wirbeltieren in ähnlicher Weise reguliert werden. Im Hypothalamus, tief im Gehirn, laufen Informationen aus der Umwelt und aus anderen Hirnregionen zusammen. Ein hormonelles Signal aus dem Hypothalamus aktiviert die Adenohypophyse, eine Art Hormonfabrik des Gehirns, und diese Drüse schüttet  das Hormon TSH aus. TSH wiederum löst in der Schilddrüse die Ausschüttung der Hormone T3 und T4 aus. Rezeptoren in den Zielzellen erkennen diese zirkulierenden Hormone, binden zusammen mit dem Hormon an Kontrollregionen der DNA und aktivieren so diverse Entwicklungskontrollgene.

Zuerst dachte man, dass die Metamorphose bei den „Direkt-Entwicklern“ unter den Fröschen einfach übersprungen wird – zum Beispiel durch Ausbleiben der hormonellen Signale. Aber jemand hat dann beim Baumfrosch Eleutherodactylus coqui genauer hingeschaut und entdeckt, dass die Metamorphose zumindest in dieser Art gar nicht komplett ausfällt. Vielmehr wird sie einfach in die Zeit vor dem Schlüpfen verlegt und findet quasi im Zeitraffer statt. Durch eine heterochronische Verschiebung der T3/T4-Aktivität sind auch die Entwicklungskontrollgene für die Metamorphose schon im Ei aktiv:

 Eiablage –> Metamorphose –> Geburt-> Pubertät –> erwachsenes Tier

Die Folge: Der Frosch kann unabhängig von Wassertümpeln überleben und so eine neue Nische erobern.

wie raucht man eigentlich auf Lunge?
Axolotl; Foto S. Shebs via wikimedia cc

Das Gegenstück zur „direkten Entwicklung“ bei Breviceps, Eleutherodactylusund anderen Froschfamilien ist die „Neotenie“ bei Axolotl, einem Molch – hier findet die Metamorphose gar nicht statt und das erwachsene Tier bleibt eine Monster-Kaulquappe mit Kiemenatmung. Interessanterweise kann man die Metamorphose des Axolotl künstlich auslösen, indem man Schilddrüsenhormone gibt. Die „Downstream“ – Kaskade der Entwicklungkontrollgene, die die Umwandlung der Kaulquappe zum erwachsenen Axolotl bewerkstelligt, funktioniert noch, aber sie wird in der Natur nicht mehr abgerufen.

Säugetiere wie der Mensch machen keine Metamporphose durch, aber auch bei uns spielen die Schilddrüsenhormone eine wichtige Rolle bei der Geburt und in der weiteren Entwicklung, und sie werden in ganz ähnlicher Weise von den Hirnregionen Hypothalamus und Hypophyse reguliert wie in Amphibien. Wie so oft in der vergleichenden Embryologie: Es gibt einige Schaltkreise, die über weite Teile des Tierreichs konserviert sind;  aber „Upstream“ und „Downstream“ dieses konservierten Moduls hat die Evolution eine Spielwiese, die erstaunliche Variationen der Lebensformen hervorbringt. Darunter auch einen kleinen piepsenden Internetstar aus der südafrikanischen Wüste.

 

Referenz:

Vincent Laudet: The Origins and Evolution of Vertebrate Metamorphosis

Current Biology 21, R726–R737, September 27, 2011

2 thoughts on “Ein Frosch piepst um die Welt

  1. Wolfgang Mar 5, 2013 12:40

    Faszinierend

    …kann man die Metamorphose des Axolotl künstlich auslösen…

    Wie kann ich mir den Axolotl dann vorstellen. Wenn einer Monster-Kaulquappe Schildrüsenhormone gegeben wird startet die Metamorphose und in was entwickelt sich dann dieser Axolotl? In einen Rießenfrosch? Wahrscheinlich nicht, oder?

    Danke für diesen faszinierenden Blogeintrag!
    Wolfgang

    • HansZ Mar 5, 2013 20:49

      Nach der Hormon-induzierten Metamorphose hat man ein Tier, das dem verwandten Tigersalamander ähnlich sieht.

      Siehe auch hier (inkl. Bild eines metamorphisierten Axolotl):
      http://www.axolotl-online.de/html/metamorphose.html

      Achtung Heimtierhalter: Nicht zu Hause mit Axolotl und Tyroxin experimentieren. 1. euer Axolotl überlebt’s vielleicht nicht. 2. Verboten.

      Faszinierend auch die Berichte im “Axolotl-Forum” über spontane Landgänger, z.B hier:
      http://www.axolotlforum.de/wbb/index.php?page=Thread&threadID=29660

      User “gloomy” hatte sich ein Axolotl-Aquarium (also nur Wasser) eingerichtet, aber der Bewohner ging plötzlich spontan in die Metamorphose. Panisch sucht der User Rat im Forum für den Landgängertauglichen Umbau des Aquariums…

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