Evolution

Weshalb Schildkröten keine Vögel sind

Seit Jahrzehnten streiten sich Biologen und Genetiker darüber, ob Schildkröten eher zu den Vögeln, den Krokodilen oder zu den Echsen gehören. Ingmar Werneburg von der Universität Zürich konnte jetzt nachweisen, dass Schildkröten vor allen anderen modernen Reptilien entstanden sind.

Marita Fuchs

Embryonen, Wendehals-Schildkröte (je zwei Millimeter gross): Mit chemischem Aufhellverfahren Entwicklungsschritte sichtbar gemacht. (Bild: Ingmar Werneburg)

Schildkröten haben einen harten Knochenpanzer. Das ist einmalig, kein anderes Tier hat einen vergleichbaren Schutz entwickelt. Umstritten ist, wie die Tiere zu diesem praktischen Panzer gekommen sind. Auch ist unklar, ob eine nähere Verwandtschaft zu modernen oder zu ausgestorbenen Reptiliengruppen besteht.

Frühe Schildkröten sind entwicklungsgeschichtlich gesehen so schlecht dokumentiert, dass es schwierig ist, eine genaue Zuordnung zu treffen – fossile Übergangsformen fehlen. Neuere genetische und morphologische Untersuchungen haben die bisherigen Spekulationen über die Stammesgeschichte der Schildkröten ins Wanken gebracht.

Evolutionsbiologen gehen aufgrund aktueller fossiler Funde davon aus, dass frühe Schildkröten Wasserbewohner waren und zuerst einen Bauchpanzer entwickelten, um sich möglicherweise im Wasser vor Angriffen von unten zu schützen.

Schildkrötenpanzer zeigen eine grosse Vielfalt. Der Panzer von heutigen Landschildkröten ist viel massiver als jener der im Wasser lebenden Arten. Bei letzteren ist der Panzer mit zahlreichen Hohlräumen durchzogen. Eine solche Leichtbauweise verleiht Auftrieb und ist ein typisches Beispiel für die Anpassung an die Umwelt.

Was wir von der Embryologie lernen können

Schildkröten sind somit Musterbeispiele einer gelungenen Evolution: Sie sind älter als Dinosaurier und haben bis heute überlebt. Die Strategie, zuerst den Bauch zu schützen, spiegelt sich auch in der Embryonalentwicklung heute lebender Schildkröten wieder. Im Ei legt das ungeschlüpfte Tier zuerst den Bauch- und danach den Rückenpanzer an.

Früher nahm man an, dass die Stammesgeschichte von den Embryonen wiederholt würde. Aber zu viele Ausnahmen, Verschiebungen und Neuanordnungen in der Anatomie der Embryonen liessen Zweifel aufkommen – die Geschichte mit dem Bauchpanzer ist da eher ein glücklicher Zufall.

Schildkrötenexperte Ingmar Werneburg: Zahlreiche Stadien der Embryonalentwicklung akribisch dokumentiert. (Bild: Marita Fuchs)

«Heute ist man daher vorsichtiger und geht davon aus, dass stammesgeschichtliche Veränderungen nur in Ausschnitten bei Embryonen nachvollzogen werden können», sagt der Schildkrötenexperte Ingmar Werneburg von der Universität Zürich. Aus diesen vagen «Erinnerungen an die Vergangenheit» erhalte man Hinweise auf den Ursprung verschiedener Organe bei fern verwandten Arten.

Werneburg arbeitet am Paläontologischen Institut und Museum der Universität Zürich in der Gruppe von Professor Marcelo Sánchez. Werneburg untersucht die evolutionäre Entwicklung der Schildkröten, indem er mit den Mitteln der Vergleichenden Anatomie und Embryologie die Stammesgeschichte der Schildkröten erforscht.

Wie die Schildkröte zum Panzer kam

Bei Grabungen in Süd- und Nordamerika, Europa und Afrika hatten Sánchez und sein Team zahlreiche Panzerfragmente längst ausgestorbener Arten gefunden. Die versteinerten Knochenfunde wurden im Labor in feine Gewebe-Schnitte zerlegt und mit Panzern von heute lebenden Schildkröten verglichen.

Die Gewebeschnitte von fossilen Knochen sind ein indirekter Weg, etwas über die Entstehung der Arten zu erfahren. «Aber auch die Untersuchung der embryonalen Entwicklung heutiger Schildkröten erweitert unser anatomisches Wissen enorm und trägt dazu bei, die Evolution und den Ursprung dieser Tiergruppe besser zu verstehen», erläutert Werneburg. «Die Integration von embryologischem und fossilem Material und damit eine umfassendere Darstellung der Wirbeltier-Evolution ist der zentrale Ansatz unserer Arbeitsgruppe».

Den Hals wenden oder einziehen

Die Forschung an fossilen Funden ergänzt Werneburg mit einer umfangreichen Untersuchung der Embryonalentwicklung von fünfzehn heutigen Schildkrötenarten und zwar von «Halswendern» als auch von «Halsbergern». Heute lebende Schildkröten lassen sich nämlich in zwei Gruppen einteilen: Die Halswender legen bei Gefahr den Hals zur Seite und schieben ihn seitwärts unter die vordere Kante des Panzers, während die Halsberger – zu denen auch alle Landschildkröten zählen – den Hals S-förmig in den Panzer einziehen können.

Werneburg arbeitet bei seinen Embryo-Analysen unter anderem mit einem chemischen Aufhellverfahren: Dabei erscheinen Haut und Muskeln transparent, während die Knochen rot, Knorpel und Bindegewebe blau gefärbt sind. Somit konnte der Zoologe die Entwicklungsschritte der äusseren Körperform auch im Inneren optisch nachvollziehbar machen.

Fenster in die Erdgeschichte

Akribisch aufgelistet hat Werneburg, wann die Embryos welche Merkmale entwickeln: Bei insgesamt 23 Wirbeltierarten definierte er 104 Merkmale in zahlreichen Stadien der Embryonalentwicklung. Die grosse Datenmenge berechnete der Schildkrötenexperte mit einem speziellen Analyseverfahren (Parsimov) am Computer, um genaue Vergleiche über zeitlichen Verschiebungen im Entstehen der Embryonalmerkmale anzustellen.

Die Analyse der Merkmale lässt die Schildkröten im Stammbaum nah an alle anderen heute lebenden Reptilien heranrücken. «Das Ergebnis stimmt mit vielen anderen morphologischen Untersuchungen überein. Meine Daten-, Analyse- und Artenauswahl widersprechen einer engen Verwandtschaft zwischen Schildkröten und Vögeln, Echsen oder Krokodilen», sagt Werneburg. «Die Schildkröten bilden somit eine Schwestergruppe aller heute lebenden Reptilien».

Die evolutionäre wie auch die embryonale Entwicklung der Schildkröten verlief unbestritten erfolgreich, denn schliesslich gibt es sie seit mehr als 220 Millionen Jahren.

Marita Fuchs ist Redaktorin UZH News.

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