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Lebensgemeinschaften: Parasiten überlassen nichts dem Zufall

Parasiten leben mollig, bestens versorgt und unangreifbar, sobald sie in ihrem Wirt angekommen sind - vorher und nachher ist's dagegen so hart und lebensgefährlich, dass man häufige Wechsel zwischen Wirten lieber vermeidet. Oder clevere manipulative Tricks erlernt wie ein kleiner Stichlingschmarotzer.
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Parasitismus ist eine äußerst erfolgreiche Lebensform – mehr als 40 Prozent aller Arten weltweit leben parasitär. Viele davon befallen auch den Menschen lösen eine Reihe schwerer Erkrankungen aus: Die durch parasitäre Einzeller ausgelöste Malaria ebenso wie die Schlafkrankheit oder die durch den Pärchenegel Schistosoma hervorgerufene Bilharziose. Alle diese Schmarotzer leben auf Kosten ihres Wirts und haben sich dabei hochgradig auf ihn spezialisiert.

Oft beschränkt sich ihr spezieller Lebensraum dabei aber nicht nur auf einen einzigen Wirt – tatsächlich wechseln viele Parasiten im Lauf ihres Lebenszyklus mehrmals den Wohnort: So werden sie von einem ersten Wirt durch die Nahrung aufgenommen, wachsen heran, wechseln in einen zweiten und manchmal sogar in einen dritten. Erst hier reproduzieren sie sich dann und ihre Nachkommen beginnen den Lebenszyklus von Neuem.

Seit über 100 Jahren untersuchen Parasitologen diese komplexen Zyklen bis hinunter auf molekulare Ebene, doch die Frage, warum Parasiten ihren Wirt überhaupt wechseln, blieb bisher unbeantwortet. Der typische Schmarotzer-Lebensentwurf mit einer Abfolge von Wirtswechseln "ist so riskant, dass man sich schwer vorstellen kann, wie er sich für den Parasiten insgesamt lohnen kann", findet Manfred Milinski vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön. Dennoch sind viele Parasiten gerade hiermit erfolgreich, sonst hätten sich ihre Lebensweise nicht im Lauf der Evolution entwickelt.

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Bandwurm in Stichling | Der Bandwurm Schistocephalus solidus in der Leibeshöhle seines zweiten Zwischenwirtes, dem Dreistacheligen Stichling. Obwohl dieser Parasit in dem kleinen Fisch zu seiner endgültigen Größe heranwächst, handelt es sich hierbei noch um ein Larvenstadium (Plerocercoid). Erst wenn die Bandwürmer (mit dem Wirt) in den Darm eines Fisch fressenden Vogels gelangen, werden sie zu geschlechtsreifen Erwachsenen und produzieren innerhalb weniger Tage enorme Mengen an Eiern, bevor sie absterben.
Auf der Suche nach Antworten veröffentlichte Evolutionstheoretiker Geoff A. Parker von der University of Liverpool 2003 eine generelle Theorie zur Evolution des Wirtswechsels. Zusammen mit Milinski testete er seine theoretischen Voraussagen dann in der Praxis an einem geeigneten Modellparasiten – dem Bandwurm Schistocephalus solidus. Die freischwimmende Larve dieses Schmarotzers muss kurz nach Beginn ihres Lebens nicht viel mehr leisten als selbst gefressen zu werden – zunächst von einem Hüpferling, einem kleinen Ruderfußkrebs (Copepode). In diesem wächst die Larve über zwei bis vier Wochen heran. Dann muss der Hüpferling seinerseits von einem Dreistachligen Stichling erbeutet werden – nur in diesem kann die Larve innerhalb von drei Monaten enorm wachsen; in jedem anderen Fisch würde sie sterben. Der Stichling muss dann die Beute eines Vogels, zum Beispiel eines Reihers werden, denn erst in diesem paart sich der Bandwurm in seinem Endstadium. Die Eier gehen mit dem Vogelkot ins Wasser und der Zyklus beginnt aufs Neue.

Alle diese Schritte konnten im Labor Milinskis nachgestellt werden, um die zeitliche Dynamik des komplizierten, aber in freier Wildbahn dennoch so erfolgreichen Bandwurm-Lebenszyklus genauer zu untersuchen. Dafür infizierte das Forscherteam in aufwändigen Transfer-Experimenten 3000 Copepoden mit je einer Bandwurmlarve und ließen sie entweder 11, 21 oder 31 Tage wachsen, bevor sie die infizierten Copepoden an je einen Stichling verfütterten. Nach Wachstum im Stichling wurden die Larven in den Vogel-Endwirt überführt, der durch ein In-vitro-System, einen "Glasvogel", ersetzt worden war. Die im Vogel produzierten Eier des Bandwurms wurden aufgefangen und zum Schlüpfen gebracht. Die Frage, die die Forscher auf diese Weise zu beantworten hofften, lautete: Welche Kombination aus Zeit im Copepoden und Stichling würde dem Bandwurm die höchste darwinsche Fitness, also die höchste Anzahl geschlüpfter eigener Nachkommen bescheren?

Mit den Ergebnissen der Transfer-Experimente wurde nun ein von Parkers Team entwickeltes mathematisches Modell gefüttert, um die theoretisch optimale Zeit, die der Bandwurm im Copepoden wachsen sollte, vorhersagen zu können. Die Antwort lautete "zwischen Tag 13 bis 15" – hier liegt ein optimales Zeitfenster von nur zwei Tagen, in dem der Parasit den Wirt wechseln sollte [1].

Im nächsten Schritt testeten die Wissenschaftler diesen theoretischen Wert nun wieder in der Praxis – und fragten sich, ob S. solidus tatsächlich irgendwie dafür sorgt, den Wechsel vom Hüperling in den Fisch genau im schmalen Zeitfenster zu forcieren. Er könnte dies, so die Hypothese der Forscher, vielleicht durch chemische Signale hinbekommen, die das Verhalten des Copepoden so manipulieren, dass er mit höherer Wahrscheinlichkeit vom nächsten Stichling gefressen wird.

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Wirtsmanipulation im optimalen Zeitfenster | Die dunkelgrau schattierte Fläche zeigt das theoretisch ermittelte optimale Zeitfenster zwischen dem 13. und 15. Tag an, in dem der Parasit das Verhalten seines Wirts so manipulieren muss, dass er eine leichte Beute für den Stichling wird; die hellgraue Fläche zeigt das experimentell ermittelte Zeitfenster an. Solange das optimale Zeitfenster noch nicht erreicht ist, sorgt der Parasit dafür, dass der Copepode nach einem Schreckreiz mehr als zwei Minuten unbeweglich verharrt. Ist das optimale Zeitfenster erreicht, setzt nach einem Schreckreiz die Schwimmaktivität des Copepoden schon nach weniger als einer Minute wieder ein – damit wird er jedoch zu einer leichten Beute für den Stichling (Verhalten der infizierten Copepoden (rot), der Copepoden, die der Bandwurmlarve ausgesetzt waren, aber nicht infiziert wurden (orange) sowie der Kontrollgruppe (schwarz)).
Dieses Experiment, so Milinski, war dann "der Clou: der Wechsel in den Stichlingswirt ist in der Mitte dieses ohnehin schon kleinen Zeitfensters tatsächlich durch parasitäre Manipulation am wahrscheinlichsten". Wie sich zeigt, sorgen Parasiten-Manipulationen dafür, dass der Copepode vor dem 13. Tag nach seiner Infektion immer mehr als zwei Minuten unbeweglich verharrt, sobald er durch einen bedrohlichen Reiz erschreckt wird – eine sinnvolle Tarnstrategie, um nicht von Räubern erbeutet zu werden. Nach dem 13. Tag jedoch, zu Beginn des für den Parasiten optimalen Zeitfensters, setzt nach einem Schreckreiz die Schwimmaktivität des Copepoden schon nach weniger als einer Minute wieder ein – womit er jedoch zu einer leichten Beute für den Stichling wird, in den der Parsit im Inneren des Krebses ja möchte [2].

Damit haben die Evolutionsbiologen zum ersten Mal den Nachweis geliefert, dass sich ein Wirtswechsel für den Parasiten lohnt, weil er so optimiert ist, dass er die Fitness des Parasiten maximiert, "und das heißt in diesem Fall, die Anzahl seiner Nachkommen im Vogel", so Milinski. Damit liefert sein Team eine weitere Erklärung dafür, dass Parasitismus eine so erfolgreiche Lebensform auf unserem Planeten ist. Möglicherweise entfalten diese Erkenntnisse irgendwann auch einen praktischen Nutzen: "Man könnte neue Wege in der Malaria-Bekämpfung einschlagen und versuchen, das Kosten-Nutzen-Verhältnis des Wirtswechsels von der Mücke zum Menschen zu beeinflussen. Das ist natürlich noch in weiter Ferne, aber zumindest die Denkmöglichkeit ist jetzt da", sinnt Milinski. "Evolutionsbiologische Schädlingsbekämpfung" sozusagen – darüber hat bisher vermutlich wirklich noch niemand nachgedacht.

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  • Quellen
[1] Parker, G. A. et al.: When should a trophically transmitted parasite manipulate its host? In: Evolution 63, S. 448–458, 2009.
[2] Hammerschmidt, K. et al.: When to go: optimization of host switching in parasites with complex life cycles. In: Evolution 64(1), 2009.

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