Ursprung der Intelligenz von Kraken und Kalmaren entschlüsselt
Kraken, Kalmare und Sepien gelten als die intelligentesten wirbellosen Tiere. Die Kopffüßer verfügen über ein außergewöhnlich komplexes Nervensystem, das manchmal als eine Art Gehirn bezeichnet wird. Aus Verhaltensexperimenten geht hervor, dass ihre kognitiven Fähigkeiten teilweise an die von Hunden heranreichen. So sind sie zum Beispiel in der Lage, bis vier zu zählen und bestimmte Probleme zu lösen, wie etwa den Deckel eines Schraubglases zu öffnen, um an den Inhalt zu gelangen. Ein Forschungsteam der Universität Wien hat jetzt eine mögliche Erklärung vorgelegt, wie die großen und aufwendig strukturierten Nervensysteme entstanden sein könnten. Demnach sind nicht nur die Gene selbst dafür verantwortlich, sondern auch deren räumliche Anordnung im Zellkern.
Das Team um Hauptautorin Thea Rogers analysierte die dreidimensionale Struktur des Erbguts verschiedener Kopffüßerarten und kombinierte diese Daten mit Informationen zur Genaktivität. Dabei zeigte sich, dass eine umfassende Umstrukturierung des Genoms vor Hunderten Millionen Jahren die Anordnung der DNA innerhalb der Zelle verändert hat. Die DNA liegt im Zellkern die meiste Zeit weder als langer Faden noch als dicht gepacktes Chromosom vor, sondern ist zu einer komplexen dreidimensionalen Struktur gefaltet. Dadurch können Abschnitte des Erbguts, die auf dem DNA-Strang eigentlich weit voneinander entfernt liegen, räumlich in Kontakt kommen und sich gegenseitig beeinflussen. So entstanden den Erkenntnissen der Forschenden zufolge neue Möglichkeiten, Gene zu regulieren.
Die Wissenschaftler beschreiben einen Prozess, den sie »regulatorische Verflechtung« nennen. Treffen zuvor getrennte DNA-Bereiche aufeinander, können sie gemeinsame Netzwerke der Gensteuerung bilden. Im Lauf der Evolution könnten sich solche Verbindungen verfestigt haben. Das habe neue Muster der Genaktivität ermöglicht, ohne bestehende lebenswichtige Funktionen zu beeinträchtigen, schreiben die Autoren im Fachmagazin »Nature Communications«.
Besonders interessant: Nicht alle Ebenen der Genomorganisation reagierten gleichermaßen auf die Umgestaltung. Große strukturelle Einheiten des Erbguts blieben über lange Zeiträume erstaunlich stabil. Deutlich dynamischer waren dagegen sogenannte Chromatinschleifen, die weit voneinander entfernte DNA-Abschnitte miteinander verbinden. Solche Schleifen fanden die Forschenden häufig in der Nähe von Genen, die für typische Kopffüßer-Merkmale wichtig sind, darunter die Entwicklung ihres Nervensystems.
Die Ergebnisse stellen womöglich die verbreitete Annahme infrage, die dreidimensionale Organisation der DNA sei lediglich eine günstige räumliche Anordnung. Stattdessen könnte die Architektur des Genoms selbst die Evolution neuer Eigenschaften aktiv mitgesteuert haben. Nach Ansicht der Forschenden liefert dies einen neuen Ansatz, um zu verstehen, wie biologische Komplexität entsteht und warum Kopffüßer so außergewöhnliche kognitive Fähigkeiten entwickeln konnten.