Biologie: Ein großes Gehirn hat seinen Preis

Nichts ist nützlicher als ein großes Gehirn. Trotzdem bringt die Evolution immer wieder Lebewesen hervor, die sich mit einem winzigen Denkapparat begnügen müssen. Bei manchen Fledermausarten ist es sogar zu einer Schrumpfung des Hirns gekommen, weil sie sich an eine Umgebung angepasst haben, die geringere kognitive Anforderungen stellt. Große Gehirne haben allerdings einen Nachteil: Sie verbrauchen viel Energie. Und das hat weitreichende Folgen.

So hat kürzlich ein schwedisch-österreichisches Forscherteam entdeckt, dass Guppys für Krankheiten offenbar anfälliger sind, wenn sie ein größeres Gehirn haben. Die Biologen haben zwei Populationen von Guppys gezüchtet. Zum einem Fische mit einem relativ kleinen Gehirn, zum anderen welche mit einem um durchschnittlich 14 Prozent größeren. Anschließend wurden jeweils zwei Guppys mit unterschiedlichem Gehirnvolumen genommen, man entfernte jedem der beiden Tiere eine Schuppe (mitsamt Schleimschicht und Pigmentzellen) und pflanzte sie dem anderen ein.

Das Immunsystem der "Klein-Hirn-Guppys" arbeitete effizienter

Wie die Forscher in den „Proceedings of the Royal Society B“ berichten, arbeitete das angeborene Immunsystem der „Klein-Hirn-Guppys“ effizienter als das ihrer besser ausgestatteten Artgenossen. „Das Gewebe um die transplantierten Schuppen ist erst ein wenig angeschwollen. Dann ist die Schleimschicht trüb geworden und bald sind die Pigmentzellen der transplantierten Schuppe vom Immunsystem des Empfängers verdaut worden und verschwunden“, erläutert Studienleiter Alexander Kotrschal. Ein Zeichen dafür, dass das Immunsystem rasch und effektiv reagiert.

Drei Wochen später wurden den Fischen erneut Schuppen transplantiert. Die Forscher wollten damit herausfinden, wie stark das erworbene Immunsystem reagiert, das imstande ist, sich die Eindringlinge zu merken, die es schon einmal abgewehrt hat. Bei diesem zweiten Schuppentausch waren die Abwehrreaktionen der Guppys mit unterschiedlichen Gehirnvolumen im Wesentlichen gleich heftig, das erworbene Immunsystem beider Gruppen also ähnlich stark.

Guppys mit großem Hirn haben weniger Nachwuchs

Kotrschal und seine Kollegen schließen daraus, dass ein Gehirn mit einer höheren Leistung zu Lasten des Immunsystems geht, mit dem die Guppys auf die Welt gekommen sind. „Schlaue Fische zahlen also offensichtlich für ihre Klugheit mit einem minderwertigeren Immunsystem“, schreiben die Forscher.

Der Befund passt ins Bild, Kotrschal hat bereits vor längerer Zeit festgestellt, dass Guppys mit einem großen Gehirn weniger Nachwuchs produzieren. Er verweist zudem auf Studien, aus denen hervorgeht, dass bei einigen Vogel- und Fledermausarten eine größere Hirnmasse mit stärkerem Parasitenbefall einhergeht.

Was die Leistung des Immunsystems betrifft, so sind nicht nur bei Tieren Unterschiede zu beobachten. Wenn beispielsweise zwei Gänseblümchen direkt nebeneinander wachsen – das eine mickrig, das andere groß und kräftig –, so kann es durchaus sein, dass das schwächere Pflänzlein besser mit Schädlingsbefall zurechtkommt als das starke.

Das Immunsystem kann verbessert werden, wer mehr Energie investiert wird

Damit sich Tiere und Pflanzen gegen gefährliche Krankheitserreger zur Wehr setzen können, hat die Evolution jede Art mit einem maßgeschneiderten Immunsystem ausgerüstet. Doch dieses funktioniert längst nicht so gut, wie man erwarten sollte. So können sich nicht nur Arten in ihren Immunreaktionen stark voneinander unterscheiden, sondern auch Populationen und sogar Individuen ein und derselben Art. Diese Variationen sind zum einen zurückzuführen auf die Vielfalt der Angreifer und ihrer Angriffsstrategien sowie das ständige Wettrüsten zwischen attackierenden Viren, Bakterien und Pilzen und den sich verteidigenden Organismen. Zum anderen lassen sie sich auch damit erklären, dass es viel Energie kostet, Immunsysteme zu unterhalten. Nach Ansicht von Biologen wie Josef Reichholf gibt es aber nur eine begrenzte Menge an Energie, die für verschiedene Körperfunktionen eingeteilt werden muss. Das Immunsystem könne daher nur verbessert werden, wenn anderswo Energie eingespart wird.

Diese Hypothese wird von Jim Adelman (Universität Princeton) und Michaela Hau sowie Martin Wikelski (Max-Planck-Institut für Ornithologie in Radolfzell) gestützt. Sie haben die Immunreaktionen frei lebender Singammern erforscht. Zunächst wurden Ammern in Südkalifornien und im Norden des Bundesstaates Washington gefangen. Danach wurden Vögeln aus beiden Populationen Zellwände von Bakterien injiziert, wodurch eine 24 Stunden dauernde Infektion hervorgerufen wurde. Die übrigen Ammern blieben unbehandelt.

Gute Sänger haben ein schlechtes Orientierungsvermögen - und umgekehrt

Bei den infizierten kalifornischen Ammern lag die Körpertemperatur um mehr als zwei Grad Celsius höher als bei ihren gesunden Artgenossen, berichtet das Team im Fachjournal „Functional Ecology“. Die Körperabwehr arbeitete also auf Hochtouren. Bei den Ammern aus Washington hingegen unterschieden sich die Temperaturen höchstens um ein Grad voneinander. Die Wissenschaftler erklären das so: In Washington ist die Brutzeit mit nur 100 Tagen sehr kurz, die Singammern müssen nahezu ihre gesamte Zeit und Energie in ihre Fortpflanzung investieren. Die kalifornischen Ammern hingegen können einen beträchtlichen Teil ihrer Ressourcen in ihr Immunsystem investieren, da ihre Brutzeit 50 Tage länger dauert.

Doch nicht allein Immunsysteme sind kostspielig. Kendra Sewall und ihre Kollegen von der Duke-Universität in Durham (North Carolina) haben herausgefunden, dass die Singammern, die am virtuosesten singen können, sich in ihrer Umwelt am schlechtesten zurechtfinden. Und diejenigen Ammern, die über den besten Orientierungssinn verfügten, sind die schlechtesten Sänger.

Die Forscher vermuten, dass das an der arbeitsteiligen Organisation des Gehirns liegt. Während die Orientierung im Raum vom Hippocampus gesteuert wird, ist für das Erlernen und Hervorbringen der Arien eine andere Abteilung zuständig – das HVC (High Vocal Centre). „Offenbar ziehen erhöhte Investitionen in den Hippocampus (und in das räumliche Lernen) geringere Investitionen in die Gehirnareale nach sich, die für das Erzeugen von Gesängen (und die Größe des Gesangsrepertoires) entscheidend sind“, schlussfolgern die Forscher. „Möglicherweise erfahren Weibchen beim Lauschen der Gesänge nicht nur einiges über die kognitiven Stärken der Männchen, sondern auch deren kognitiven Schwächen.“