Neue wissenschaftliche Entdeckungen! Warum weist die rasante Zunahme der Rattenpopulation deutliche saisonale Muster auf?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Bingbingbang (Institut für Zoologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Die vier Jahreszeiten sind einem ständigen Wechsel unterworfen: im Frühling herrschen wärmere Temperaturen, im Sommer sengende Hitze, im Herbst kühlere Temperaturen und im Winter bitterkalte Temperaturen. Der Grund, warum wir die Unterschiede in der Landschaft der vier Jahreszeiten erleben können, liegt darin, dass die Rotation und Umdrehung der Erde jährliche Veränderungen bei Licht, Niederschlag, Temperatur usw. verursachen, was zu diesen unterschiedlichen vier Jahreszeiten führt.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

„Der Frühling ist da, alles erwacht wieder zum Leben und es ist wieder Paarungszeit für die Tiere …“

Dies ist ein Satz, der in „Animal World“ oft vorkommt. Wenn das Wetter allmählich wärmer wird, scheint alles wieder zum Leben zu erwachen. Warum verhalten sich Tiere in verschiedenen Jahreszeiten unterschiedlich?

Um sich an die Umweltveränderungen in den verschiedenen Jahreszeiten anzupassen, haben Säugetiere, die in gemäßigten und kalten Zonen leben, im Laufe der langen Evolution nach und nach eine Reihe saisonaler physiologischer Merkmale entwickelt, die mit den Veränderungen der äußeren Umwelt synchronisiert sind. Sie können Umweltveränderungen rechtzeitig wahrnehmen, vorhersagen und entsprechend darauf reagieren. So tragen sie dem zyklischen Wechsel von Überfluss und Knappheit der Überlebensressourcen Rechnung.

Dabei ist das Fortpflanzungsverhalten als physiologisches Verhalten mit hohem Energieaufwand natürlicherweise auf einen bestimmten Zeitraum im Jahr beschränkt, was zu dem typischen saisonalen Fortpflanzungsphänomen bei Kleintieren führt.

Die Photoperiode ist der stabilste Umweltfaktor mit periodischen Veränderungen zwischen verschiedenen Umweltfaktoren und ist daher für Tiere zur wichtigsten Grundlage für die Vorhersage von Umweltveränderungen geworden. Mit anderen Worten: Tiere können jahreszeitliche Veränderungen wahrnehmen, indem sie die Dauer von Licht und Dunkelheit in der Außenwelt erfassen und so ihren Körperzustand an einen für die Fortpflanzung in der jeweiligen Jahreszeit geeigneten Zustand anpassen.

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Wühlmäuse, die im Frühling und Sommer brüten

Ich weiß nicht, ob Ihnen aufgefallen ist, dass manche Kleintiere in der warmen Jahreszeit immer gerne rausgehen. Tatsächlich könnte es sein, dass die relativ warme Jahreszeit ihre Brutzeit ist.

Nehmen wir als Beispiel die Brandt-Wühlmaus, die in den Graslandschaften der Inneren Mongolei verbreitet ist. Als typische Wildmausart beginnt die Brutzeit im Frühling und Sommer (März bis September), wenn die Tage allmählich länger werden, und endet im Herbst und Winter. Diese Eigenschaft, sich nur in bestimmten Jahreszeiten fortzupflanzen, wird als saisonale Fortpflanzung bezeichnet. Wie wird diese saisonale Fortpflanzung durch die Photoperiode reguliert?

Ein Team unter der Leitung des Forschers Zhang Zhibin vom Institut für Zoologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat kürzlich entdeckt, dass Darmmikroorganismen eine entscheidende Rolle bei der saisonalen Fortpflanzung von Brandts Wühlmäusen spielen.

Ein Artikel mit dem Titel „Gut microbiota is associated with the effect of photoperiode on seasonal breeding in male Brandt's voles (Lasiopodomys brandtii)“ (Die Darmmikrobiota steht im Zusammenhang mit dem Einfluss der Photoperiode auf die saisonale Fortpflanzung bei männlichen Brandt-Wühlmäusen (Lasiopodomys brandtii)), der in der mikrobiologischen Fachzeitschrift Microbiome veröffentlicht wurde, zeigt, dass die Photoperiode die saisonale Reproduktion von Brandt-Wühlmäusen regulieren kann, indem sie die Art der mikrobiellen Flora im Darm der Wühlmaus beeinflusst (Darmmikroorganismen beziehen sich auf die große Anzahl von Mikroorganismen, die im Darm von Tieren vorkommen. Diese Gruppe von Mikroorganismen lebt im Darm von Tieren und hilft den Wirtstieren bei der Erfüllung einer Reihe von physiologischen und biochemischen Funktionen) und auf das HPG-Achsen-Melatonin-Kisspeptin/GPR54-System einwirkt.

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Das Team manipulierte künstlich die Länge des Lichtzyklus in Innenräumen, um die körperlichen Verfassungsmerkmale von Brandts Wühlmäusen unter verschiedenen Lichtzyklen zu messen.

Die Ergebnisse zeigten, dass Brandts Wühlmäuse, die kurzen Lichtzyklen ausgesetzt waren, nicht nur langsamer an Gewicht zunahmen, sondern auch eine signifikante Gewichtsabnahme ihrer Gonaden (Hoden und Nebenhoden), der Spiegel reproduktionsrelevanter Hormone (wie follikelstimulierendes Hormon, luteinisierendes Hormon und Testosteron) und der Expressionsniveaus verwandter Gene (wie Dio2, Rfrp-3, Kiss-1 und GPR54) aufwiesen, was als Ausdruck einer verringerten Fortpflanzungsfähigkeit angesehen werden kann.

Diese Daten weisen darauf hin, dass Brandts Wühlmäuse bei langen Photoperioden eine bessere Fortpflanzungsfähigkeit aufweisen als Wühlmäuse bei kurzen Photoperioden. Dies erklärt auch, warum Wühlmäuse während der längeren Photoperiode von März bis September das stärkste Fortpflanzungsverhalten aufweisen.

Auswirkungen unterschiedlicher saisonaler Photoperioden

Aus den oben genannten Untersuchungen wissen wir, dass die Photoperiode die mikrobielle Flora im Körper beeinflusst. Wie sind also bestimmte mikrobielle Gruppen betroffen?

Das Forschungsteam maß die Zusammensetzung und Struktur der Darmmikroorganismen von Wühlmäusen bei unterschiedlichen Lichtperioden und stellte fest, dass die Lichtperiode die mikrobiellen Gruppen im Darm der Wühlmäuse bestimmt.

Die Forscher stellten fest, dass die mikrobielle Zusammensetzung des Darms von Wühlmäusen, die kurzen Lichtperioden ausgesetzt sind, und solchen, die langen Lichtperioden ausgesetzt sind, erhebliche Unterschiede aufwies. Nach der Transplantation von Kot von Brandt-Wühlmäusen, die in langen und kurzen Lichtperioden leben, stellten sie fest, dass die Werte von drei reproduktionsrelevanten Hormonen (Melatonin, follikelstimulierendes Hormon und luteinisierendes Hormon) und drei reproduktionsrelevanten Genen (hypothalamisches Kiss-1, testikuläres Dio3 und Dio2/Dio3-Verhältnis) bei den Wühlmäusen, die ursprünglich in kurzen Lichtperioden lebten, mit denen von Wühlmäusen übereinstimmten, die in langen Lichtperioden lebten, nachdem sie Kottransplantate von Wühlmäusen erhalten hatten, die in langen Lichtperioden lebten.

Dies beweist, dass die Photoperiode die Zusammensetzung der Darmmikroorganismen beeinflusst, was wiederum Auswirkungen auf die Fortpflanzungsfähigkeit der Tiere hat. Veränderungen der Darmmikroben beeinträchtigen nicht nur die Fortpflanzungsfähigkeit des Tieres. Darüber hinaus veränderte die oben erwähnte Transplantation von Darmmikroorganismen auch den Aktivitätsrhythmus von Brandts Wühlmäusen. Nach der mikrobiellen Transplantation von Wühlmäusen, die unter einer langen Lichtperiode leben, stimmte der Aktivitätsrhythmus der Wühlmäuse, die ursprünglich unter einer kurzen Lichtperiode lebten, mit dem der Wühlmäuse überein, die unter einer langen Lichtperiode leben. Dies zeigt, dass Darmmikroorganismen nicht nur die Fortpflanzungsleistung von Tieren beeinflussen, sondern auch den Aktivitätsrhythmus von Tieren beeinflussen.

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Durch die oben genannten Experimente können Forscher nahezu bestätigen, dass der Lichtzyklus in der äußeren Umgebung die mikrobielle Darmgemeinschaft von Tieren erheblich beeinflussen kann. Diese Veränderung der mikrobiellen Darmgemeinschaft bestimmt die Fortpflanzungsleistung von Tieren, indem sie auf das HPG-Achsen-Melatonin-Kisspeptin/GPR54-System im Hypothalamus einwirkt, wodurch letztlich das Phänomen entsteht, dass die Fortpflanzungsleistung eng mit dem Lichtzyklus zusammenhängt.

Erkenntnisse aus der Untersuchung jahreszeitlicher Veränderungen

Die Untersuchung der Veränderungen der Photoperioden in verschiedenen Jahreszeiten erklärt nicht nur, warum die Fortpflanzung von Nagetieren deutliche saisonale Merkmale aufweist, sondern liefert auch wichtige theoretische Hinweise für die Schädlingsbekämpfung, Viehzucht und das Gesundheitsmanagement.

Beispielsweise kann die Darmmikrobiota nach der Einwirkung einer bestimmten kurzen Lichtperiode dazu führen, dass der Wirt leichter einschläft, was bei der Linderung von Schlafproblemen mancher Patienten mit Einschlafschwierigkeiten oder bei Jetlag-Problemen von Menschen, die häufig auf Geschäftsreisen sind, von großem Nutzen sein kann.

Darüber hinaus können im Forst- oder Agrarsektor mikrobielle Gemeinschaften, die bestimmten kurzen Lichtperioden ausgesetzt sind, dazu genutzt werden, die Vermehrung schädlicher Nagetiere zu verlangsamen und übermäßige Populationen von Schädlingen und Nagetieren zu vermeiden. Auf diese Weise lässt sich das Ziel erreichen, Nagetierbefall unter Kontrolle zu bringen.

Darüber hinaus wird auch die Fortpflanzungsleistung vieler Nutztiere stark von der Photoperiode beeinflusst (Pferde und Esel vermehren sich beispielsweise lieber bei langen Photoperioden, während Schafe und Kamele lieber bei kurzen Photoperioden vermehren). Daher können Landwirte die Mikrobiota nach der Einwirkung eines bestimmten Lichtzyklus auch zur Regulierung der Reproduktion von Nutztieren nutzen und größere wirtschaftliche Vorteile daraus ziehen.

Herausgeber: Guo Yaxin