Forschung

Diversität, Taxonomie und Phylogeographie der Onychophora

Onychophoren sind urtümliche Lebewesen, deren geographische Verbreitung auf den Urkontinent Gondwana zurückgeht. Dennoch ist die Phylogenie und Taxonomie dieser Tiergruppe nicht vollständig geklärt. Sicher ist jedoch, dass die knapp 180 beschriebenen Arten nicht die gesamte Vielfalt dieser Tiergruppe repräsentieren. Daher nutzen wir diverse morphologische, molekulare und zytologische Methoden, um die Artenvielfalt, kryptische Speziation, Phylogenie sowie geographische Verbreitung der Onychophora zu erforschen. Unsere taxonomische Arbeit umfasst dabei Revisionen und Artbeschreibungen.

Charakterisierung des biologischen Klebstoffs der Onychophoren

Onychophoren (Stummelfüßer) produzieren ein stark klebriges Sekret, das sie für ihre einzigartige Beutefangmethode sowie zur Verteidigung einsetzen. Dieser proteinreiche Schleim ist bisher nur wenig erforscht, doch erste Untersuchungen zeigen ein großes Potential in seinen adhäsiven Eigenschaften. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Biochemie der Universität Leipzig und dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm/Potsdam untersuchen wir daher mittels biochemischer und biomechanischer Methoden die Eigenschaften des Schleimdrüsensekrets. Die Untersuchungen werden uns zum einen grundlegende Einblicke in die Funktionsweise dieses natürlichen Klebstoffs liefern und zum anderen die Neusynthese oberflächenbindender Peptide nach seinem Vorbild ermöglichen, die im medizinischen Bereich und in der Klebstoffindustrie eine potentielle Anwendung finden werden.

Evolution des Sehsystems bei den Panarthropoda

Die Fähigkeit, Licht wahrzunehmen und visuelle Informationen zu verarbeiten, ist im Tierreich weit verbreitet. Dafür sind spezielle Proteine, die Opsine, von entscheidender Bedeutung, da sie die Grundlage für die Signalkaskade zur Informationsübertragung des visuellen Reizes bilden. Um die Evolution dieser Proteine und damit auch die Entstehung des Farbsehens bei den Gliederfüßern (Arthropoda) zu verstehen, untersuchen wir die Opsin-Gene bei ihren nächsten Verwandten, den Stummelfüßern (Onychophora) und Bärtierchen (Tardigrada). In Kooperation mit der Lund Vision Group (Universität Lund, Schweden) analysieren wir außerdem mit Hilfe von Verhaltensexperimenten sowie anatomischen und elektrophysiologischen Methoden die visuellen Eigenschaften der Onychophoren-Augen, um Rückschlüsse auf die Evolution des Sehens bei den Panarthropoda (Onychophora + Tardigrada + Arthropoda) ziehen zu können.

Neuroanatomie und Entwicklung der Tardigraden

Die phylogenetische Stellung der Tardigrada (Bärtierchen) wird zurzeit kontrovers diskutiert. Sie werden entweder als Schwestergruppe der Arthropoda, der Onychophora, der Onychophora + Arthropoda oder sogar der Nematoda angesehen. Obwohl Tardigraden, genau wie die rezenten Onychophoren und fossilen Lobopodier, ungegliederte Extremitäten besitzen, zeigt ihr Nervensystem einen ähnlichen, segmentalen Aufbau wie das der Arthropoden. Daher untersuchen wir die Anatomie und Entwicklung des Nervensystems der Tardigraden, um Aussagen über die ursprüngliche Organisation des Nervensystems im Grundmuster der Panarthropoda treffen zu können und die phylogenetische Stellung der Tardigrada aufzuklären.

Evolution der gegliederten Extremität der Arthropoden

Im Gegensatz zu den Arthropoden besitzen die Onychophoren und Tardigraden ungegliederte Extremitäten, wie sie auch bei den fossilen Lobopodiern zu finden sind. Um zu klären, wie im Laufe der Evolution aus der ursprünglich ungegliederten die gegliederte Extremität der Arthropoden, das Arthropodium, entstanden ist, untersuchen wir die funktionelle Anatomie und Entwicklung der Beine bei den Onychophoren und Tardigraden. Zusätzlich führen wir vergleichende morphologische Untersuchungen an den Lobopodiern durch, um mögliche Transformationsschritte im Verlauf der Evolution der Extremitäten aufzudecken.

Elektrophysiologische Untersuchungen am Nervensystem der Onychophora

Je nach Art und Geschlecht besitzen die Onychophoren zwischen 13 und 43 Paar Laufbeine, auch Lobopodien genannt. Doch wie werden diese segmental angeordneten Extremitäten während der Fortbewegung neuronal gesteuert und koordiniert? Um diese Frage aufzuklären, untersuchen wir mit Hilfe von extrazellulären Ableitungen am Nervensystem der Onychophoren die neuronalen Muster, die der Steuerung der Beinbewegung zugrunde liegen. Diese Untersuchungen, die wir in Kooperation mit Prof. Paul A. Stevenson (Institut für Biologie, Universität Leipzig) durchführen, werden helfen, die ursprünglichen Mechanismen der Koordination der metameren Extremitäten im Grundmuster der Panarthropoda zu verstehen.

Phylogenie der Arthropoda und die phylogenetische Stellung der Myriapoda

Zurzeit existieren zwei konkurrierende Hypothesen über die Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb der Arthropoda. Nach der Mandibulata-Hypothese sind die Myriapoda (z.B. Hundert- und Tausendfüßer) die nächsten Verwandten der Crustacea und Hexapoda. Einige Analysen molekularer und embryologischer Daten stellen jedoch diese traditionelle Sicht in Frage und favorisieren stattdessen ein Schwestergruppenverhältnis zwischen den Myriapoda und Chelicerata (Paradoxopoda- oder Myriochelata-Hypothese). Um diese Kontroverse aufzuklären, untersuchen wir die Entwicklung des Nervensystems bei den Onychophora und Tardigrada, da sie als nächste Verwandte der Arthropoda wichtige Außengruppen darstellen, um Merkmale (ursprünglich versus abgeleitet) innerhalb der Arthropoda polarisieren zu können.

Evolution der Körpersegmentierung

Eine Unterteilung des Körpers in sich wiederholende Einheiten oder Segmente tritt vor allem bei Anneliden, Arthropoden und Chordaten auf. Ob diese Körpersegmentierung einmal, zweimal oder dreimal unabhängig voneinander entstanden ist, wird seit langem kontrovers diskutiert. Bei einer einmaligen Evolution muss der letzte gemeinsame Vorfahr der Bilateria segmentiert gewesen und die Segmentierung bei den übrigen Tiergruppen verlorengegangen sein. Im Gegensatz dazu geht die Hypothese einer mehrfachen Entstehung davon aus, dass die Evolution der Segmentierung bei den einzelnen Taxa schrittweise verlief. Als nächste Verwandte der Arthropoden spielen die Onychophoren für das Verständnis der Evolution der Segmentierung bei den Arthropoden eine Schlüsselrolle, da ihr Körperbau sowohl segmentale als auch nicht-segmentale Merkmale aufweist. Daher untersuchen wir die Expression verschiedener Segmentierungsgene, insbesondere der Segment-Polaritäts- und Paar-Regel-Gene, während der Embryonalentwicklung der Onychophora.

Tagmatisierung des Körpers bei den Panarthropoda

Eine universelle Eigenschaft der Arthropoden ist die Verschmelzung der Körpersegmente zu funktionellen Einheiten oder Tagmata, wodurch eine enorme Vielfalt an Körperformen entstanden ist. Der Kopf, der Thorax und das Abdomen der Insekten sind beispielsweise solche Tagmata. Während der Embryonalentwicklung wird die Identität der einzelnen Segmente, die zu Tagmata fusionieren, vor allem durch die Hox-Gene gesteuert. Im Gegensatz zu den Arthropoden zeigen deren nächsten Verwandten, die Tardigraden und Onychophoren, eine weniger differenzierte Tagmatisierung des Körpers. Der Vergleich der Hox-Expressionsmuster zwischen den Onychophoren, Tardigraden und Arthropoden wird daher neue Erkenntnisse zur Differenzierung der antero-posterioren Körperachse im Grundmuster der Panarthropoda liefern und helfen, die Evolution der Tagmatisierung besser zu verstehen.

Evolution des Kopfes (Cephalisation) bei den Panarthropoda

Die segmentale Gliederung des Arthropoden-Kopfes wird noch immer kontrovers diskutiert. Die Untersuchung des vorderen Körperabschnitts bei den nächsten Verwandten der Arthropoden könnte daher entscheidende Einblicke in die Cephalisation innerhalb der Panarthropoda liefern. Daher untersuchen wir zum einen die Organisation des Vorderendes kambrischer Lobopodier und zum anderen die Anatomie und Entwicklung des Onychophoren- und Tardigraden-"Kopfes" mit Hilfe neurobiologischer, zytologischer, immunohistochemischer und entwicklungsgenetischer Methoden.

Onychophora-Genomprojekt

Genomische Analysen gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie genaue Aussagen über die Existenz bzw. das Fehlen von Genen, ihrer Anordnung im Genom sowie über die sogenannten "nicht-kodierenden" DNA-Abschnitte erlauben. Da die Onychophoren eine phylogenetisch alte und wichtige Tiergruppe darstellen, wird in einem Großprojekt im Rahmen der i5k-Initiative in Kooperation mit mehreren anderen Arbeitsgruppen das komplette Genom der australischen Onychophoren-Art Euperipatoides rowelli sequenziert. Die erhobenen Daten werden uns wichtige Aufschlüsse über die evolutiven Veränderungen im Genom liefern, die seit der Aufspaltung der Onychophora, Tardigrada (Bärtierchen) und Arthropoda (Gliederfüßer) vor über 540 Millionen Jahren stattgefunden haben.