Die Suche nach einem Modell-Oktopus, der nach der Eiablage nicht stirbt

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Ein Labor in Massachusetts hat möglicherweise endlich einen achtarmigen Kopffüßer gefunden, der als Modellorganismus dienen und die wissenschaftliche Forschung unterstützen kann.

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Von Elizabeth Preston

Fotos und Videos von Matt Cosby

Der Tank sah leer aus, aber beim Umdrehen einer Muschel kam ein versteckter Oktopus zum Vorschein, der nicht größer als ein Tischtennisball war. Sie rührte sich nicht. Dann streckte sie auf einmal ihre zerzausten Arme aus, während sich ihre Haut von perlmuttfarbenem Beige zu einem Muster aus leuchtend bronzenen Streifen veränderte.

„Sie versucht, mit uns zu reden“, sagte Bret Grasse, Leiter der Kopffüßer-Operationen am Marine Biological Laboratory, einem internationalen Forschungszentrum in Woods Hole, Massachusetts, in der südwestlichen Ecke von Cape Cod.

Der winzige, gestreifte Oktopus ist Teil einer Versuchskolonie im Labor, in der Wissenschaftler versuchen, Kopffüßer in Modellorganismen zu verwandeln: Tiere, die in Forschungseinrichtungen leben und sich fortpflanzen und über viele Generationen hinweg zu wissenschaftlichen Studien beitragen können, wie es Mäuse oder Fruchtfliegen tun.

Kopffüßer faszinieren Wissenschaftler aus vielen Gründen, unter anderem wegen ihrer fortschrittlichen, kameraähnlichen Augen und großen Gehirne, die sich unabhängig von den Augen und Gehirnen des Menschen und unserer rückgratigen Verwandten entwickelt haben. Ein Oktopus, Tintenfisch oder Tintenfisch ist im Wesentlichen eine Schnecke, die ihr Gehäuse gegen Intelligenz eingetauscht hat. „Sie haben das mit Abstand größte Gehirn aller Wirbellosen“, sagte Joshua Rosenthal, Neurobiologe am Marine Biological Laboratory. „Ich meine, es ist nicht einmal annähernd.“

Modellkopffüßer wären ein Segen für Biologen. Doch die Haltung dieser klugen und oft bizarren Tiere – insbesondere der Kraken – in Gefangenschaft stellt sowohl ethische als auch logistische Herausforderungen dar. Den Forschern von Woods Hole war es bereits früher gelungen, Tintenfische über mehrere Generationen hinweg zu züchten. Doch ein einzelner Tintenfisch kann Wissenschaftlern nicht alles über Kopffüßer erzählen.

„Verschiedene Modelle zur Beantwortung unterschiedlicher Fragen zu haben, ist meiner Meinung nach unglaublich wertvoll“, sagte Caroline Albertin, Entwicklungsbiologin an der Einrichtung.

Aber Kraken haben Wissenschaftler schon lange wegen mehrerer unglücklicher Angewohnheiten verwirrt: Sie fressen sich gegenseitig. Sie sind berüchtigte Fluchtkünstler. Mütter sterben, sobald sie sich fortpflanzen, daher ist es schwierig, eine Brutpopulation aufzubauen.

Das hat den Modell-Oktopus zu einer Art Weißwal gemacht – bis Herr Grasse und seine Kollegen letztes Jahr bekannt gaben, dass sie in ihrem Labor drei aufeinanderfolgende Generationen einer besonders vielversprechenden Oktopusart gezüchtet hatten, mehr als irgendjemand zuvor.

Lernen Sie Octopus chierchiae kennen, einen Miniatur-Oktopus mit Zebrastreifen und einem Trick im Ärmel.

Roy Caldwell, ein Verhaltensökologe an der University of California in Berkeley, traf erstmals Mitte der 1970er Jahre in Panama auf Octopus chierchiae, auch Kleiner Streifenkraken im Pazifik genannt. Er zog Steine ​​aus dem Meer, um Fangschreckenkrebse zu finden, die sich in Spalten versteckten. „Ab und zu kamen diese süßen kleinen gestreiften Oktopusse heraus“, sagte er.

Er brachte einige der Kraken zurück nach Berkeley. Kurz darauf: „Eines der Weibchen legte Eier, und ich fand das irgendwie schade, weil ich wusste, dass sie sterben würde“, sagte Dr. Caldwell. „Und sie ist nicht gestorben.“ Ein paar Monate später legte sie erneut Eier.

Eine Arbeit von Arcadio Rodaniche, einem panamaischen Wissenschaftler, aus dem Jahr 1984 bestätigte Dr. Caldwells Beobachtung: Weibchen dieser Art konnten sich im Gegensatz zu fast allen anderen Oktopussen mehrmals fortpflanzen.

Diese Eigenschaft, gepaart mit ihrer praktischen Größe, machte sie zu einem verlockenden Objekt für die Laborforschung. Leider konnte Dr. Caldwell in Panama keine weiteren finden. Auch keiner der von ihm befragten Biologen oder Sammler hatte welche gesehen.

Der kleine Kopffüßer war bis etwa 2010 nur eine Erinnerung, als „ich eine E-Mail von einem High-School-Schüler erhielt“, sagte Dr. Caldwell, „der wissen wollte, wie er sich um seinen neuen Haustier-Oktopus kümmern könne.“ Der Student hat ein Foto geschickt. Die Zebrastreifen des Oktopus waren unverkennbar.

Dr. Caldwell führte den Oktopus auf einen Sammler in Nicaragua zurück. Schließlich konnte er ein paar kleinere pazifische Streifenkraken besorgen und versuchen, in seinem Labor eine Kolonie aufzubauen. Aber in drei oder vier Jahren der Versuche kam er nie über die zweite Generation hinaus. Danach, sagte Dr. Caldwell, seien die Eier der Weibchen nicht mehr geschlüpft. Er vermutete, dass Inzucht ein Problem sei, ebenso wie die Ernährung. „Wir wussten nicht so recht, was wir ihnen füttern sollten.“

Diese Frage war 2016 noch unbeantwortet, als Dr. Rosenthal mit dem Traum, Modellkopffüßer zur Unterstützung der wissenschaftlichen Forschung herzustellen, zum Meeresbiologischen Labor kam. Er rekrutierte Herrn Grasse, der als eine Art Kopffüßerflüsterer bekannt war, aus dem Monterey Bay Aquarium in Kalifornien. Taylor Sakmar, ebenfalls Aquarianer aus Monterey Bay, kam nach Cape Cod, um beim Bau einer neuartigen Anlage für vielarmige Tiere zu helfen.

Heute ist diese Anlage ein düsterer, plätschernder Raum voller Reihen von Tanks, in dem es nach Meerwasser riecht. Rund um die Uhr drängen sich die Menschen zwischen den Regalen, kontrollieren Tanks, wischen Pfützen und füttern verschiedene Arten von Kopffüßern.

Als die Wissenschaftler 2018 ihre Octopus chierchiae-Kolonie mit sieben Tieren aus Nicaragua gründeten, boten sie den Kreaturen ein Buffet mit lebenden und gefrorenen Meeresfrüchten an. Anschließend beobachteten sie die Körpersprache und die Veränderung der Hautfarbe der Tiere, um herauszufinden, was ihnen am besten gefiel. (Streifenkraken im Pazifik haben immer ihre Streifen, können aber den Kontrast verstärken oder die Streifen fast vollständig verschwinden lassen.)

„Wenn Sie lange genug mit diesen Kopffüßern arbeiten, können Sie im Wesentlichen lernen, wie man Kopffüßer spricht“, sagte Herr Grasse.

Ein Oktopus streckt die Hand aus, um mit seinen Saugnäpfen einen angebotenen Gegenstand zu probieren. Wenn es schmeckt, wickelt der Oktopus das Futter schnell mit allen acht Armen fest ein und huscht zu einem Unterschlupf, um es zu fressen. Wenn ihm das Angebot nicht gefällt, kann es sein, dass der Oktopus das Futter auf die Seite seines Beckens wirft.

Bei der Beobachtung der von ihnen betreuten Kraken entdeckten die Wissenschaftler außerdem, dass paarungsbereite Männchen mit ihren Armspitzen einen schnell vibrierenden Tanz ausführen, als würden sie einen Haufen Maracas herumwirbeln.

Nachdem sich die Kraken gepaart hatten und die Jungen aus ihren Eiern schlüpften, brachte Herr Grasse die Jungen – die leuchtend orange und kleiner als eine Linse sind – in einzelnen PVC-Rohrzylindern unter, damit sie sich nicht gegenseitig anfressen. Er entdeckte, dass die Jungtiere eine Phase des „intensiven Schwimmens“ durchlaufen, in der sie durch den kleinsten Spalt zwischen einem Gehege und seinem Deckel entkommen können.

Typischerweise können Materialien wie AstroTurf oder die flauschige Seite eines Klettverschlusses Kraken davon abhalten, vertikale Flächen zu erklimmen, sagte Herr Grasse, weil ihre Saugnäpfe nicht haften bleiben. Aber die besonders kleinen Babys der Streifenkraken im Pazifik könnten diese Materialien wie eine Leiter erklimmen.

„Typischerweise sind Kraken leichter zu sichern als diese Art“, sagte Herr Grasse.

Er verwendet jetzt dehnbare Schaumstoffdeckel, um die Gehege der Jungtiere dicht zu verschließen. Ein Tank für ausgewachsene Octopus chierchiae hat einen Klettverschluss am Rand und das, was Herr Grasse sein „wirklich High-Tech-Sicherheitssystem“ nannte – einen schweren Stein auf dem Deckel.

Im Jahr 2015 war Dr. Albertin Teil eines Teams, das das allererste Kopffüßer-Genom sequenzierte. „Ich bin erstaunt, wie schnell das alles gegangen ist“, sagte sie. „Kopffüßer können uns viel über die Welt lehren. Und wir sind endlich an einem Punkt angelangt, an dem wir versuchen können, sie zu verstehen.“

Aber ein ideales Labortier für das molekulare Zeitalter ist nicht nur eines, das man über viele Generationen hinweg gesund halten kann, sagte Dr. Rosenthal. Es ist auch eines, dessen DNA Wissenschaftler manipulieren können. Durch das Ausschalten von Genen oder das Hinzufügen neuer Gene oder Marker zu den Zellen eines Tieres können Wissenschaftler die Mechanismen der Biologie klarer erkennen. Solche Forschungen an Mäusen und anderen Labortieren haben es Forschern ermöglicht, beispielsweise die Rolle einzelner Gene direkt zu testen und Tiermodelle für menschliche Krankheiten zu erstellen. Bei Kopffüßern, insbesondere beim Oktopus, war es jedoch eine größere Herausforderung.

Forschern am Marine Biological Laboratory sei es gelungen, mit dem Tool CRISPR-Cas9 die Gene eines in Cape Cod heimischen Tintenfischs sowie des Kolibri-Bobtail-Tintenfischs des Labors zu bearbeiten, sagten sie. Um Materialien in die zähen Eier dieser Tiere zu injizieren, verwendeten sie geschärfte Quarznadeln und speziell entwickelte winzige Scheren.

Für Wissenschaftler, die die Genetik von Kopffüßern manipulieren wollen, ist der Kolibri-Bobtail-Tintenfisch das bisher vielversprechendste Modelltier, sagte Dr. Albertin: „Leicht zu züchten, leicht zu stupsen und leicht in unseren Brutkammern zu halten.“

Aber Tintenfische zu studieren reicht nicht aus.

„Menschen halten Kopffüßer oft für ein und dasselbe“, sagte Dr. Albertin. „Oktopusse, Tintenfische – sie sind alle matschig und schwimmen im Meer herum. Aber eigentlich sind sie ganz anders.“

Es gibt allerdings ein Problem mit Oktopus-Eiern. Alle, mit denen Dr. Albertin gearbeitet hat, haben eine „harte, ledrige Eierschale“, Sie sagte. Ihre Nadeln können es nicht durchdringen. Es gelang ihr, mit einer Schere in die Eier zu schneiden – nur um auf ein anderes Problem zu stoßen, das Dr. Rosenthal höflich „Überdruck“ nannte und Dr. Albertin beschrieb, dass das Eigelb „aus der Eierschale herausquillt wie Zahnpasta aus einer Tube“.

„Ehrlich gesagt weiß ich noch nicht, dass jemand herausgefunden hat, wie man in ein Oktopus-Ei spritzt“, sagte Dr. Albertin.

Die Wissenschaftler halten es nicht für unmöglich. Aber sie müssen es herausfinden, bevor der Kleine Pazifische Streifenkrake zu dem Modellorganismus wird, den Dr. Rosenthal sich vorgestellt hat.

Während die Genmanipulation beim Kleinen Streifenkraken im Pazifik noch nicht geklärt ist, könnte die Art dabei helfen, ein weiteres Rätsel um Kopffüßer zu lösen.

Octopus bimaculoides, oder der kalifornische Zweifleck-Oktopus, ist ein gewöhnlicher Labor-Kopffüßer, den Wissenschaftler aus der Wildnis bekommen können. Aber es hat Nachteile. Zum einen ist es viel größer – ein Oktopusbecken mit zwei Stellen im Marine Biological Laboratory hat oben einen Ziegelstein, sodass sein Bewohner nicht herauskommen kann.

Das andere Problem ist, dass die Mütter sterben. Ein zweifleckiger Oktopus im Labor war aktiv und neugierig und schoss einen Wasserstrahl auf Besucher; In einem benachbarten Becken hockte ein sterbendes Weibchen über ihren durchsichtigen Eierbüscheln. Die Mutter regte sich nicht, ein Auge war sichtbar.

Der rasche Rückgang der Mutterkraken fasziniert Z. Yan Wang, einen evolutionären Neurowissenschaftler an der University of Washington, Seattle. „Dieses Tier, das über ein so komplexes Nervensystem verfügt, lebt nur so kurze Zeit“, sagte Dr. Wang.

In einer Studie aus dem Jahr 2018 dokumentierte sie, wie weibliche Zweipunktkraken zunächst aufhörten zu fressen, während sie sich um ihre Eier kümmerten, sie streichelten und Wasser darüber bliesen. Dann wurden die Mütter blass und begannen sich seltsam zu verhalten, fraßen manchmal ihre eigenen Armspitzen oder verletzten sich mit ihren Saugnäpfen, bevor sie starben.

Dr. Wang hofft, mehr über diesen Prozess zu erfahren, wenn sie im Herbst ihr eigenes Labor eröffnet. Sie plant, kleinere pazifische Streifenkraken aus der von Herrn Grasse und Co. gegründeten Kolonie zu erwerben und mit deren Methoden eine eigene Kolonie zu gründen. Im Gehirn der Tiere könnte sie den Schlüssel finden, der ihnen das Überleben bei der Fortpflanzung ermöglicht.

Sie hat sich mit einer Gruppe anderer Kopffüßerforscher, darunter dem Cape Cod-Team, getroffen, um darüber zu sprechen, wie man den Einsatz des Zwergpazifischen Streifenkrakens in der Forschung vorantreiben kann. „Wir sind alle sehr an dieser Art interessiert“, sagte Dr. Wang.

Dr. Caldwell, der Octopus chierchiae erst nach zwei Generationen züchten konnte, war ebenfalls an diesen Gesprächen beteiligt. Er sagte, die Ergebnisse in der Anlage in Woods Hole, die die Tiere drei Generationen lang am Leben hielten, seien vielversprechend.

Von den sieben wilden Octopus chierchiae haben Herr Grasse und seine Kollegen über 700 Kinder, Enkel und Urenkel großgezogen. In der letzten Generation ließen sie die Kolonie jedoch verschwinden.

Es war 2020 und aufgrund der Covid-Beschränkungen durfte sich immer nur eine Person gleichzeitig in der Einrichtung aufhalten. Die Wissenschaftler mussten die Zucht der Kraken bremsen, um sicherzustellen, dass sie nicht mehr Tiere hervorbrachten, als sie versorgen konnten. Nur ein Koloniemitglied, ein über zwei Jahre altes Weibchen, ist noch am Leben.

Darüber hinaus zeigte die Kolonie Anzeichen von Inzuchtproblemen. Weniger Jungtiere erreichten das Erwachsenenalter. Ein Baby mit 16 Armen schlüpfte.

In diesem Winter kamen jedoch fünf neue Streifenkraken aus dem Pazifik aus Nicaragua in der Anlage an. Die Wissenschaftler werden ihre Erkenntnisse nutzen, um eine neue Kolonie zu gründen. Dieses Mal hoffen sie, den Genpool gesund zu halten, indem sie regelmäßig neue Wildtiere hinzufügen.

Im Interesse ihres Wohlergehens stellt Herr Grasse Muscheln, künstliche Pflanzen und andere Gegenstände zur Verfügung, um alle künstlichen Häuser der Kopffüßer zu bereichern. Außerdem sorgt er dafür, dass die Tiere eine abwechslungsreiche Ernährung, einen Tapetenwechsel und ab und zu ein lustiges Projekt wie eine Garnele im Glas haben. Diese Bereicherung fördere ihre „psychische Gesundheit“, sagte er.

Wenn man Arten ihr natürliches Verhalten zeigen lässt, sei es bei der Jagd nach Beute oder beim Verstecken im Sand, verringert sich ihr Stress, sagte Robyn Crook, Neurowissenschaftlerin an der San Francisco State University. In ihrem eigenen Labor „sind die Gehege, die wir für Kraken verwenden, so unglaublich reichhaltig, dass wir sie oft nicht finden können“, sagte sie.

Dr. Crook unterhält eine sich selbst erhaltende Kolonie von Kolibri-Bobtail-Tintenfischen, die sie mit Individuen aus dem Marine Biological Laboratory gegründet hat. In einer Studie im letzten Jahr zeigte sie, dass Kraken offenbar Schmerzen verspüren. Sie hofft, dass die biologischen Erkenntnisse ihres Labors Einfluss darauf haben werden, wie andere Wissenschaftler sich um diese Tiere in Gefangenschaft kümmern.

„Je besser das Wohlergehen des Tieres ist, desto bessere experimentelle Daten erhält man. Und desto weniger Tiere benötigt man“, sagte Dr. Crook. „Und im Allgemeinen ist es eine bessere Wissenschaft.“

In den Vereinigten Staaten gibt es keine Gesetze, die die Forschung an Wirbellosen regeln. Wenn Wissenschaftler ein Tier mit Rückgrat untersuchen möchten, beispielsweise eine Maus, einen Vogel oder einen Fisch, benötigen sie die Ethikgenehmigung eines Ausschusses innerhalb ihrer Einrichtung. Wissenschaftler, die Würmer – oder hochintelligente Kopffüßer – untersuchen, können tun und lassen, was sie wollen.

Einige Institutionen, darunter das Marine Biological Laboratory, nutzen freiwillig dasselbe Überprüfungsverfahren für ihre Forschung an Kopffüßern. „Wir wollen für sie das Richtige tun“, sagte Dr. Rosenthal.

Da es keine neuen Gesetze gibt, ist die Zucht in Gefangenschaft laut Dr. Crook eine weitere Möglichkeit, das Wohlergehen von Kraken und anderen Kopffüßern zu verbessern. Kommt ein Tier aus der Wildnis, wissen die Forscher nicht, wie es gefangen oder behandelt wurde, bevor es sie erreicht.

„Es gibt eigentlich keine Quellen für in Gefangenschaft gezüchtete Kopffüßer außer dem MBL. Es ist also eine erstaunliche Ressource“, sagte sie.

Dr. Crook hofft, dass das Team in Woods Hole durch die Aufzucht von Tieren wie dem Zwergpazifik-Streifenkraken nicht nur das Leben von Labortieren verbessern, sondern Wissenschaftlern auch ein leistungsstarkes neues Werkzeug zur Beantwortung großer Fragen der Biologie an die Hand geben wird.

„Sie sind unglaublich komplex – evolutionär gesehen, neurobiologisch gesehen – und sie unterscheiden sich völlig von uns, weshalb wir sie untersuchen“, sagte Dr. Crook. „Kopffüßer sind wirklich in der einzigartigen Lage, uns Dinge über das Gehirn zu erzählen, die wir sonst vielleicht nie erfahren würden.“

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