Wie ist die letzte Mammutpopulation von der Erde verschwunden?

Wie konnte das Mammut von der Erde verschwinden, obwohl es sich um eine Art handelt, die vor 4.000 Jahren „einfach so“ ausgestorben ist? Diese Frage hat Wissenschaftler schon immer dazu bewegt, sie zu erforschen. Isoliert vom Festland war die Wrangelinsel einst die Heimat der letzten Wollmammutpopulation und damit ein idealer Ort für Forscher, um Antworten zu finden.

Eine neue, in der Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlichte Studie widerlegt die lange gehegte Annahme, dass eine isolierte Population von Wollmammuts auf der Wrangelinsel schließlich aufgrund von Inzucht und genetischen Defekten ausgestorben sei. Mit anderen Worten: Ihr Aussterben ist möglicherweise nicht auf genetische Probleme aufgrund von Inzucht zurückzuführen, und ihre Geschichte ist möglicherweise komplizierter als bisher angenommen.

Geschrieben von | Mumu

Im Film „Ice Age“ helfen sich die drei tierischen Protagonisten – Manny das Mammut, Sid das Faultier und Diego der Säbelzahntiger, die ursprünglich natürliche Feinde waren – gegenseitig und wachsen zusammen, um in der rauen Natur zu überleben.

Unter ihnen ist Manny riesig, schweigsam und sanft, und tief in seinem Herzen verbirgt er die Trauer über den Verlust seiner Familie. Hinter dieser Geschichte voller Wärme und Humor verbirgt sich auch der tiefgreifende Einfluss, den die großen Veränderungen der natürlichen Umwelt während dieser fernen Eiszeit auf das Schicksal einiger Arten hatten.

Der Film "Ice Age"

Tatsächlich war das Wollhaarmammut (Mammuthus primigenius) während der letzten Eiszeit einer der am weitesten verbreiteten großen Pflanzenfresser auf der Erde. Doch am Ende des Spätpleistozäns (vor etwa 10.000 Jahren) waren sie von den meisten Kontinenten der Erde verschwunden. Es gibt nur noch wenige isolierte Populationen, die durch den durch den Klimawandel bedingten Anstieg des Meeresspiegels vom Festland abgeschnitten sind. Die bedeutendste Population dieser Art lebte auf der Wrangelinsel, einer Insel zwischen der Ostsibirischen See und der Tschuktschensee, bis sie vor etwa 4.000 Jahren ausstarb.

Im gesamten Erdzeitalter ist es leicht vorstellbar, dass es aufgrund drastischer Klimaveränderungen auf der Erde zum weltweiten Aussterben einer Art kommen könnte. Doch warum konnte das Wollhaarmammut, das fast 6.000 Jahre lang auf der Wrangelinsel überlebt hatte, letztlich nicht dem Aussterben entgehen?

Wir können nicht anders, als uns zu fragen: Was genau geschah mit den Wollmammuts auf der Wrangelinsel in der Zeit, als die menschliche Zivilisation bereits begann, Gestalt anzunehmen und sich zu entwickeln?

Geschichten aus den letzten Tagen

Aufgrund der Isolation der Wrangelinsel konnten wir gut erhaltene Mammutüberreste finden und untersuchen, wie diese kleine Population so lange überleben konnte und schließlich ausstarb. In Verbindung mit der Entwicklung der Gensequenzierungstechnologie in den letzten Jahren ist es Wissenschaftlern möglich, die Überlebens- und Evolutionsgeschichte dieser isolierten Population weiter aufzudecken.

Im Juni dieses Jahres veröffentlichte die Fachzeitschrift Cell die neuesten Ergebnisse eines internationalen Teams unter der Leitung schwedischer Wissenschaftler, das durch den Vergleich der Genome von Mammuts vom weiteren Festland und der isolierten Wrangelinsel über einen Zeitraum von 50.000 Jahren eine detaillierte Geschichte der letzten Tage der sibirischen Wollmammuts enthüllte. Diese neue Entdeckung stellt nicht nur unser Verständnis der Evolution dieser isolierten Mammutgruppe und ihrer kleinen Population in Frage, sondern hat auch wichtige Auswirkungen auf den heutigen Schutz gefährdeter Arten.

Konkret analysierte das Forschungsteam die Genome von 21 sibirischen Wollmammuts, darunter 13 neu sequenzierte Proben und 8 Proben, die sie vor vielen Jahren entdeckt und sequenziert hatten. Diese Proben decken den Zeitraum vom späten Pleistozän bis zum Holozän ab, einschließlich der Zeit, als die Mammuts auf der Wrangelinsel von der Außenwelt isoliert waren. und decken flächenmäßig den Kontinent der nördlichen Hemisphäre sowie die Wrangelinsel ab. Unter ihnen stammte die älteste Genomprobe von einem weiblichen sibirischen Mammut, das vor etwa 52.300 Jahren starb; die „jüngste“ Probe stammte von einem männlichen Mammut auf der Wrangelinsel; beide starben vor mehr als 4.000 Jahren.

Stoßzahnreste eines sibirischen Wollmammuts

Die Forscher verwendeten fortschrittliche Technologie zur Sequenzierung alter DNA und eine Reihe bioinformatischer Analysemethoden, um Indikatoren wie genomische Vielfalt, Inzucht, genomweite Heterozygotie und Regionen der Homozygotie (ROH) dieser Proben zu bewerten.

Zuvor war man eher der Meinung, dass ein plötzlicher Klimawandel zum großflächigen Aussterben der Wollmammutpopulation geführt habe. In dieser neuesten Studie weisen Wissenschaftler darauf hin, dass Mammuts tatsächlich eine „Periode klimatischer Turbulenzen“ erlebten, dieser Prozess jedoch möglicherweise bereits vor etwa 20.000 Jahren begonnen hat. Selbst während einer Periode schneller Klimaerwärmung vor etwa 14.700 bis 12.900 Jahren fanden die Wissenschaftler keine Hinweise darauf, dass die Erwärmung negative Auswirkungen auf das Genom der Mammutpopulationen gehabt hätte. „Wir haben während einer Periode abrupter Temperaturschwankungen keine mit Inzucht oder genomweiter Heterozygotie verbundenen genomischen Veränderungen bei Mammuts beobachtet, ein Phänomen, das als mögliche Ursache für zahlreiche Artenaussterben am Ende der Eiszeit gilt“, sagten die Forscher.

Das Forschungsteam stellte jedoch fest, dass die genetische Homologie der Wollmammuts nach ihrer Isolierung auf der Wrangelinsel im Vergleich zu der Zeit vor dem Anstieg des Meeresspiegels um das Vierfache zunahm. Die Zunahme der genetischen Homologie bedeutet, dass die Chromosomen eines Individuums mit größerer Wahrscheinlichkeit vom gleichen oder einem ähnlichen Vorfahren stammen. Das heißt, die negativen genetischen Auswirkungen wurden erst sichtbar, nachdem die letzten Wollmammuts auf der Wrangelinsel überlebt hatten und von der Außenwelt isoliert waren.

Durch Analyse genomischer Merkmale und Simulation zeigte das Forschungsteam, dass die Wollmammutpopulation nach dem Betreten der Wrangelinsel und ihrer „Isolation“ einen schweren Engpass erlebte. Zu ihren schlimmsten Zeiten betrug die Gesamtpopulation der Mammuts auf der Wrangelinsel weniger als 10 Individuen.

Doch nachdem wir diesen für das Rennen entscheidenden Moment auf Leben und Tod erlebt hatten, geschah etwas Magisches. Die Mammutpopulation erholte sich in den nächsten 20 Generationen schnell auf einen Stand von 200–300 Tieren und behielt für die nächsten 6.000 Jahre eine stabile Populationsgröße, Inzuchtrate und genetische Vielfalt bei, bis die Mammuts vor 4.000 Jahren vollständig ausstarben.

Darüber hinaus zeigten die genomischen Populationsmerkmale im Laufe der Zeit, dass sich die Fortpflanzung zwischen Mammutgruppen im Gegensatz zu den Populationsmerkmalen während der anfänglichen „Engpass“-Phase schließlich von sehr enger Inzucht zu entfernteren Paarungen verlagerte. Dies steht auch im Einklang mit dem langsamen Rückgang der Heterozygotie, den sie im gesamten Genom feststellten.

Diese Schlussfolgerung lässt darauf schließen, dass das Aussterben der Mammuts auf der Wrangelinsel nach dem Überleben zahlreicher Widrigkeiten möglicherweise nicht auf genetische Probleme aufgrund von Inzucht zurückzuführen war und dass ihre Geschichte komplizierter ist als bisher angenommen.

Die Wrangelinsel umfasst eine Fläche von etwa 7.608 Quadratkilometern und bietet damit ausreichend Lebensraum und Ressourcen für diese großen Tiere.

Während der 6.000 Jahre seit ihrer „Isolation“ litten sie zwar unter einer durch Inzucht verursachten Populationsreduzierung (erhöhte Sterblichkeit aufgrund von Inzucht und den daraus resultierenden Defekten), doch beschleunigte Inzucht auch bis zu einem gewissen Grad die Eliminierung „schädlicher“, schwerwiegender Mutationen.

Mit anderen Worten: Zwei Individuen, die Träger schwerwiegender „schädlicher“ Genmutationen sind, können häufig keine Nachkommen zeugen oder es besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass die von ihnen gezeugten Nachkommen nach der Geburt sterben. Aus der Perspektive der gesamten Population ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass die überlebenden Nachkommen „schädliche“ Genmutationen aufweisen. Es scheint also, als wäre Inzucht für das Mammut von der Wrangelinsel gar nicht so schlimm gewesen.

Marianne Dehasque, Paläogenetikerin und Hauptautorin des Artikels, sagte, dass die „Eliminierung schädlicher genetischer Mutationen“ wahrscheinlich ein langer evolutionärer Prozess sei. Darüber hinaus dauerte die „Eliminierung schädlicher genetischer Mutationen“ in der Mammutpopulation der Wrangelinsel mehr als 6.000 Jahre.

Dies bedeutet, dass Wollmammuts zwar unter den negativen Auswirkungen der Inzucht litten, ihre Population jedoch stabil blieb, da „schädliche“ schwere Mutationen eliminiert wurden und dieser Prozess Tausende von Jahren andauerte. Die Entdeckung widerlegt die lange gehegte Annahme, dass eine isolierte Mammutpopulation auf der Wrangelinsel schließlich aufgrund von Inzucht und genetischen Defekten ausgestorben sei.

Was geschah plötzlich vor 4.000 Jahren?

Als eine der charismatischsten Arten der letzten Eiszeit und als eine Art, die 6.000 Jahre lang stabil auf der Wrangelinsel überlebte, bevor sie plötzlich ausstarb, galt das Mammut lange Zeit als hervorragendes Lehrbuchmodell für die Untersuchung isolierter kleiner Populationen. Die Erforschung der Frage, wie eine kleine Population, die uns so nahe war, letztendlich auf der Erde ausgestorben ist, wird nicht nur unser Verständnis des historischen Schicksals der Wollmammuts erweitern, sondern auch neue genetische Erkenntnisse für den Schutz bedrohter Arten liefern. Natürlich sind dies nur Bedeutungen und die menschliche Neugier ist die treibende Kraft hinter der unermüdlichen Erforschung des Mysteriums der Mammuts.

In Anbetracht früherer Studien war die wissenschaftliche Gemeinschaft schon immer der Ansicht, dass mehrere genetische Prozesse das Aussterberisiko kleiner Populationen erhöhen. Erstens können sich in kleinen, isolierten Populationen mit der Zeit schädliche genetische Mutationen ansammeln, die zu einer verringerten Fitness führen und voraussichtlich zu einer weiteren Verringerung der Populationsgröße führen. Zweitens ist Inzucht, die häufig in kleinen Populationen zu beobachten ist, mit negativen Folgen für die Fitness verbunden und erhöht daher vermutlich auch das Aussterberisiko. Drittens kann eine genomweite Verringerung der Heterozygotie auch zu einem Verlust des Anpassungspotenzials einer Population führen, wodurch die Fähigkeit einer Population eingeschränkt wird, sich an Umweltveränderungen anzupassen oder Krankheitserregern zu widerstehen.

Unter diesen Annahmen könnte man davon ausgehen, dass das Genom einer kleinen, isolierten Population mit der Zeit immer schneller abnimmt. In der kürzlich in Cell veröffentlichten Arbeit wurden jedoch über einen langen Zeitraum keine signifikanten Veränderungen dieser drei Parameter auf Genomebene festgestellt. Basierend auf den Ergebnissen der Studie scheint es sogar so, dass sich die Wollmammutpopulation der Wrangelinsel nach der „Flaschenhalsperiode“ schnell erholte und während der darauffolgenden 6.000 Jahre der Inselisolation stabil blieb. Die Forscher stellten sogar fest, dass die wiederhergestellte Population so groß war, dass die Mammuts während ihrer 6.000 Jahre langen Isolation ihr Fortpflanzungsverhalten änderten, um die Paarung mit sehr nahen Verwandten, wie etwa ihren nächsten Verwandten ersten oder zweiten Grades, zu vermeiden.

Veränderungen in der Größe und Vielfalt/Inzucht der Mammutpopulation, die in der Studie festgestellt wurden

Die Analyse der genetischen Mutationslast durch die Forscher ergab jedoch, dass zwar „hochgradig schädliche“ Mutationen, die durch Inzucht innerhalb der Mammutpopulation verursacht wurden, eliminiert worden waren, gleichzeitig aber die Häufigkeit „mäßig“ oder „leicht“ schädlicher Mutationen zugenommen hatte. Das heißt, dass in kleinen Populationen zwar die nach und nach angesammelten „hochgradig schädlichen“ genetischen Mutationen eliminiert werden, die Häufigkeit „leicht schädlicher“ genetischer Mutationen jedoch mit der Zeit zunimmt.

So stellten die Forscher beispielsweise fest, dass die Diversität des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) in der Wollmammutpopulation der Wrangelinsel im Vergleich zu Mammuts im späten Pleistozän um 49,2 Prozent abgenommen hat. MHC-Gene spielen eine Schlüsselrolle bei der Immunantwort, was darauf schließen lässt, dass die Mammuts der Wrangelinsel möglicherweise anfälliger für Krankheiten waren. Im Vergleich zu Mammuts aus dem späten Pleistozän nahm die genomweite Heterozygotie bei Mammuts aus dem Holozän um mehr als 40 % ab. Wie bereits erwähnt, kann eine genomweite Verringerung der Heterozygotie die Fähigkeit einer Population einschränken, sich an Umweltveränderungen anzupassen oder Krankheitserregern zu widerstehen.

Obwohl das Team Hinweise auf den einen oder anderen genomischen Indikator in der Mammutpopulation auf der Wrangelinsel fand, schien dieser die Population nicht so stark beeinträchtigt zu haben, dass es zu einer langfristigen negativen Wachstumsrate der Mammutpopulation gekommen wäre. Vergleiche mit bekannten menschlichen Krankheiten lassen beispielsweise darauf schließen, dass der Prozess der Beseitigung einiger schädlicher genetischer Mutationen zur Zerstörung von Genen führen könnte, die für die Entwicklung verschiedener Sinne wie Gehör und Sehvermögen wichtig sind. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass dies zum endgültigen Aussterben des Mammuts geführt hat. Auch wenn sich diese leicht schädlichen genetischen Mutationen im Laufe der Zeit angesammelt haben dürften, wären sie nicht die Hauptursache für das letztendliche Aussterben des Mammuts gewesen.

Und was am wichtigsten ist: Die Daten zeigen, dass das Aussterben der Mammuts auf der Wrangelinsel vor 4.000 Jahren schnell erfolgte. Was also war der Grund für das endgültige Aussterben der Mammuts auf der Wrangelinsel? Warum ist der stabile Zustand, der 6.000 Jahre lang gedauert hatte, plötzlich zusammengebrochen?

Das Forschungsteam stellte außerdem einige Hypothesen auf und führte weitere Untersuchungen durch. Wenn Inzuchtprobleme innerhalb der Mammutpopulation auf der Wrangelinsel nicht ausreichten, um ihr letztendliches Aussterben zu verursachen, was war dann die Wahrheit?

Könnte es sich um die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten handeln? Schließlich sind in den letzten Jahrhunderten durch menschliche Aktivitäten viele Arten weltweit gefährdet worden.

Obwohl sich die menschliche Zivilisation bereits vor 4.000 Jahren in viele Winkel der Kontinente der Erde ausgebreitet hatte, deuten vorhandene Belege darauf hin, dass das erste Auftreten des Menschen auf der Wrangelinsel auf die Zeit vor etwa 3.600 Jahren zurückgeht, also fast vier Jahrhunderte nachdem die Mammuts von der Insel verschwunden waren (obwohl Menschen tatsächlich mit Mammuts koexistierten und möglicherweise zum Verschwinden der Mammuts auf dem Festland im späten Pleistozän beigetragen haben, gibt es derzeit jedoch keine Beweise dafür, dass dies auch bei den Mammuts auf der Wrangelinsel der Fall war).

Daher gehen die Forscher davon aus, dass ein anderes plötzliches Ereignis, etwa ein Krankheitsausbruch oder eine dramatische Klima- oder Umweltveränderung, in Kombination mit dem fragilen Anpassungspotenzial der Mammutpopulation zum endgültigen Aussterben des Wrangelinsel-Mammuts geführt haben könnte.

Natürlich sagten die Forscher auch, dass es auf Grundlage der Analysedaten nicht ausgeschlossen sei, dass sich im Laufe der Zeit mittelschwere genetische Mutationen anhäuften und einen kritischen Punkt erreichten, was letztlich zur Nichterhaltung der Mammutpopulation führte. Oder, vorsichtiger ausgedrückt, eine Kombination aus ökologischen und genetischen Prozessen könnte zum Aussterben der Mammuts geführt haben.

Die neuesten Erkenntnisse dieser Studie sind für den aktuellen Schutz gefährdeter Populationen von großer Bedeutung und werden auch einen breiteren Einfluss auf das Gebiet der Naturschutzbiologie haben.

Wird jemand das Mammut wiederbeleben?

Manche Menschen erforschen den Tod von Mammuts, während andere die Auferstehung von Mammuts erforschen.

Nachdem Sie den Film „Jurassic Park“ gesehen haben, werden Sie besser verstehen, warum und wie Mammuts wiederbelebt werden. Darüber hinaus haben wir im sibirischen Permafrostboden relativ gut erhaltene Überreste von Mammuts entdeckt, und zwar einer Art, die vor „gerade“ 4.000 Jahren ausgestorben ist. Aus ökologischer und moralischer Sicht ist die Wiederbelebung von Mammuts daher akzeptabler als die Wiederbelebung von Dinosauriern.

Zu den wichtigsten Vertretern, die die Wiederauferstehung der Mammuts unterstützen und fördern, gehört der amerikanische Gentechniker George Church.

Im Jahr 2008 äußerte George Church erstmals die Idee, das Wollmammut wiederzubeleben. Da Mammuts und Asiatische Elefanten zu 99,6 % über dieselbe DNA verfügen, besteht die Grundidee des Teams von George Church zur Wiederbelebung von Mammuts darin, zunächst genügend alte Mammutgene von im Polarkreis eingefrorenen Mammuts zu gewinnen, dann genügend wichtige Mammutgene in das Genom des Asiatischen Elefanten zu implantieren und einzufügen und schließlich funktionsfähige Embryonen zu erhalten, die sich in Asiatischen Elefanten entwickeln können, und afrikanische und asiatische Elefanten als potenzielle Leihmütter zu verwenden. Auf diese Weise kann dieses kürzlich ausgestorbene Lebewesen in unser Leben zurückkehren.

Im Jahr 2015 verwendeten George Church und sein Genetikteam das Gen-Editierwerkzeug CRISPR, um ein Mammut-Gen in das Genom eines asiatischen Elefanten zu kopieren. Im selben Jahr gelang es seinem Labor, Mammutgene in die DNA von Elefantenhautzellen zu integrieren.

Im Jahr 2021 gründete er zusammen mit dem amerikanischen Unternehmer Ben Lamm ein Biotechnologieunternehmen namens Colosal Biosciences und erhielt in einer Startfinanzierungsrunde 15 Millionen US-Dollar. Sie gaben bekannt, dass die Mission des Unternehmens darin bestehe, gefährdete Tiere durch Gen-Editierungstechnologie zu schützen und diese Tiere zu nutzen, um die arktischen Ökosysteme umzugestalten und so mit dem Klimawandel fertig zu werden. Darüber hinaus wurde offiziell vorgeschlagen, bis 2028 Mammutkälber zur Welt zu bringen.

Ben Lamm und George Church

Im März 2022 sammelte Colossal Biosciences 60 Millionen US-Dollar in der Serie-A-Finanzierungsrunde ein. Im Januar 2023 schloss Colossal Biosciences seine Finanzierungsrunde der Serie B ab, sammelte 150 Millionen US-Dollar ein und bewertete das Unternehmen mit über 1 Milliarde US-Dollar. Colossal Biosciences wurde außerdem in die Liste der 100 einflussreichsten Unternehmen des Time Magazine für 2023 aufgenommen.

Im März dieses Jahres gab Colossal Biosciences bekannt, dass es ihnen im Labor gelungen sei, reife Hautzellen asiatischer Elefanten in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) umzuprogrammieren, was als wichtiger Meilenstein im Projekt der Wiederbelebung von Mammuts gelten kann.

Die Wiederbelebung von Mammuts mag auf den ersten Blick wie eine Science-Fiction-Geschichte erscheinen, doch nun scheint es, als hätten wir bald tatsächlich die Gelegenheit, „Mammuts wiederzusehen“.

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