Vom Sex zur Jungfernzeugung: Wie Stabschrecken einen evolutionären Umweg nahmen

Eine neue Studie von Alexander Brandt und Kollegen, erschienen in den 'Proceedings of the National Academy of Sciences' (PNAS), liefert einen seltenen Einblick in einen der ungewöhnlichsten Übergänge der Evolution: den schrittweisen Verlust sexueller Fortpflanzung [1]. Anhand mediterraner Stabschrecken der Gattung Bacillus rekonstruierte das Forschungsteam nicht nur die Entstehung verschiedener Fortpflanzungsformen über mehrere tausend Jahre hinweg, sondern konnte zentrale Schritte dieses Prozesses sogar experimentell im Labor nachvollziehen. Die Ergebnisse zeichnen ein überraschend dynamisches Bild davon, wie neue Fortpflanzungsstrategien entstehen und sich weiterentwickeln können.

Warum Sex ein evolutionäres Rätsel ist

Sexuelle Fortpflanzung erscheint auf den ersten Blick selbstverständlich. Fast alle Tiere vermehren sich, indem sie Erbgut von Mutter und Vater kombinieren. Aus evolutionärer Sicht ist dieses Verfahren jedoch erstaunlich teuer. Es müssen geeignete Partner gefunden werden, nur die Hälfte des eigenen Erbguts gelangt in die nächste Generation und die Produktion von Männchen trägt nicht direkt zur Anzahl der Nachkommen bei. Trotz dieser Kosten dominiert sexuelle Fortpflanzung im Tierreich. Der Grund liegt vor allem in ihren langfristigen Vorteilen, denn die Durchmischung von Genen erzeugt genetische Vielfalt und erleichtert die Anpassung an neue Umweltbedingungen oder Krankheitserreger.

Demgegenüber steht die Parthenogenese, oft auch als Jungfernzeugung bezeichnet. Dabei entstehen Nachkommen ohne Befruchtung durch ein Männchen. Weibchen können sich gewissermaßen selbst reproduzieren und ihre Gene vollständig an die nächste Generation weitergeben. Kurzfristig kann dies äußerst effizient sein. Langfristig drohen jedoch Nachteile, etwa die Anhäufung schädlicher Mutationen oder eine geringere Anpassungsfähigkeit an Umweltveränderungen. Deshalb gilt die vollständige Abkehr vom Sex häufig als evolutionäre Sackgasse.

Stabschrecken als Fenster in die Evolutionsgeschichte

Die mediterranen Stabschrecken der Gattung Bacillus bieten Wissenschaftlern eine seltene Gelegenheit, diesen Übergang zu untersuchen. Innerhalb der Gruppe existieren nahe verwandte Linien mit sehr unterschiedlichen Fortpflanzungsweisen. Einige vermehren sich sexuell, andere parthenogenetisch, wieder andere nutzen noch ungewöhnlichere Strategien.

• Bacillus rossius: Die Typusart der Gattung kommt in weiten Teilen des westlichen Mittelmeerraums vor, darunter Italien, Frankreich und die Iberische Halbinsel. Sie ist vor allem deshalb bekannt, weil in verschiedenen Populationen sowohl sexuelle Fortpflanzung als auch fakultative Parthenogenese vorkommen können. Weibchen sind also in der Lage, auch ohne Männchen Nachkommen zu erzeugen.

Mittelmeerstabschrecke (Bacillus rossius); Fundort: Kroatien, Istrien, Poreč
(Foto: Holger Krisp, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons)

• B. atticus: Diese Art ist vor allem aus Griechenland und angrenzenden Regionen bekannt. Sie gilt als überwiegend beziehungsweise obligat parthenogenetisch. Die Fortpflanzung erfolgt daher ohne Beteiligung von Männchen.

• B. grandii: Diese Art besitzt getrennte Männchen und Weibchen und vermehrt sich sexuell. Ihr Verbreitungsgebiet ist auf Teile Italiens und Siziliens beschränkt. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung verschiedener Hybridlinien innerhalb der Gattung.

• Hybridformen wie B. whitei und B. lynceorum: Besonders faszinierend sind mehrere natürliche Hybridlinien, die aus Kreuzungen verschiedener Bacillus-Arten hervorgegangen sind. Genau diese Formen standen im Zentrum der neuen Studie, da sie Einblicke in die evolutionären Übergänge zwischen Sexualität und Asexualität ermöglichen.

Die Forscher analysierten hierzu die Genome von mehr als 500 wild gefangenen Tieren aus verschiedenen Regionen Südeuropas. Mithilfe moderner genomischer Methoden konnten sie die Herkunft einzelner Chromosomensätze rekonstruieren und daraus die evolutionären Beziehungen zwischen den Linien ableiten. Das Ergebnis war überraschend: Alle untersuchten Hybridlinien gehen offenbar auf ein einziges Hybridisierungsereignis zurück, das vor gerade mal rund 8.000 Jahren stattfand. Aus dieser gemeinsamen Ausgangsform entwickelte sich anschließend eine bemerkenswerte Vielfalt unterschiedlicher Fortpflanzungsstrategien.

Hybridogenese: die vergessene Zwischenstufe

Der Schlüssel zur Geschichte liegt in einer seltenen Fortpflanzungsform namens Hybridogenese. Bei gewöhnlichen Hybriden stammen die Chromosomen von zwei verschiedenen Arten. Die Hybridogenese geht jedoch einen ungewöhnlichen Weg. Während der Bildung der Eizellen wird eines der beiden elterlichen Genome vollständig entfernt. Nur das andere Genom wird unverändert an die Nachkommen weitergegeben. Damit die nächste Generation erneut ein Hybrid wird, muss sich das Weibchen mit einem Männchen der jeweils anderen Art paaren.

Das Ergebnis ist ein merkwürdiger Mittelweg zwischen Sexualität und Klonalität. Ein Teil des Erbguts wird wie bei einer asexuellen Linie praktisch unverändert vererbt, während der andere Teil in jeder Generation neu eingebracht wird. Die genomischen Analysen der vorliegenden Studie deuten darauf hin, dass genau diese Hybridogenese die ursprüngliche Fortpflanzungsweise der gemeinsamen Hybridvorfahren war. Sie stellte somit eine evolutionäre Zwischenstufe dar, die bislang oft übersehen wurde.

Besonders spannend ist die Erkenntnis, dass die Hybridogenese offenbar den Weg für weitere Veränderungen bereitete. Im Laufe der Evolution entstanden aus den hybridogenetischen Vorfahren Linien, die vollständig auf Befruchtung verzichten konnten. Anstatt nur einen Chromosomensatz klonal weiterzugeben, wurden nun beide elterlichen Genome unverändert vererbt. Damit war der Übergang zur Parthenogenese vollzogen.

Die Studie widerspricht damit der Vorstellung, dass komplexe Fortpflanzungssysteme abrupt entstehen müssen. Stattdessen scheint der Verlust sexueller Fortpflanzung über mehrere aufeinanderfolgende Schritte erfolgt zu sein. Jede Zwischenstufe schuf neue Voraussetzungen für die nächste. Dabei ist besonders bemerkenswert, dass dieser Prozess nicht das Ende der evolutionären Entwicklung bedeutete. Im Gegenteil: Die neu entstandenen Linien entwickelten weitere Besonderheiten.

Wenn plötzlich drei Genome zusammenkommen

In zwei voneinander unabhängigen Fällen fanden die Forscher Hinweise darauf, dass sich aus den parthenogenetischen Linien triploide Formen entwickelten. Diese Tiere besitzen drei statt der üblichen zwei Chromosomensätze. Solche triploiden Organismen entstehen häufig durch zusätzliche Hybridisierungsereignisse oder durch Fehler bei der Chromosomenverteilung. In den untersuchten Stabschrecken wurde offenbar ein drittes Genom einer weiteren Art in das bestehende System integriert. Das Ergebnis sind genetisch äußerst ungewöhnliche Linien, die dennoch erfolgreich bestehen können. Die Evolution produzierte hier also nicht einfach eine asexuelle Endstation, sondern eine ganze Reihe neuer Varianten mit eigener genetischer Architektur.

Evolution im Zeitraffer

Die Forscher stützen ihre Rekonstruktion nicht allein auf genetische Daten. Über mehrere Jahre hinweg führten sie gezielte Kreuzungsexperimente durch und konnten zentrale Übergänge im Labor nachstellen. Da Stabschrecken ungefähr ein Jahr für eine Generation benötigen, erforderte dies erheblichen Aufwand und Geduld. Umso bemerkenswerter ist, dass die experimentellen Ergebnisse die aus den Wildpopulationen abgeleitete Evolutionsgeschichte stützten. Die vermuteten Übergänge erwiesen sich nicht nur als theoretisch möglich, sondern konnten tatsächlich beobachtet werden. Solche Übereinstimmungen zwischen genomischen Rekonstruktionen und experimentellen Befunden sind in der Evolutionsbiologie vergleichsweise selten und verleihen den Schlussfolgerungen besonderes Gewicht.

Traditionell wird asexuelle Fortpflanzung häufig als evolutionärer Nachteil betrachtet. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen jedoch, dass der Verlust von Sex unter bestimmten Bedingungen auch neue Entwicklungsmöglichkeiten eröffnen kann. Die ursprüngliche Hybridisierung wirkte offenbar wie ein Auslöser für eine Kette weiterer Innovationen. Aus einer einzigen genetischen Störung entstand zunächst Hybridogenese, daraus Parthenogenese und schließlich sogar die Bildung triploider Linien.

Die unmittelbaren molekularen Mechanismen hinter diesen Übergängen sind allerdings noch weitgehend unbekannt. Welche Gene oder zellulären Prozesse dafür verantwortlich sind, dass Chromosomensätze entfernt, erhalten oder zusätzlich integriert werden, bleibt eine wichtige Aufgabe für zukünftige Forschung.

Fazit

Die Untersuchung von Brandt et al. (2026) an mediterranen Stabschrecken liefert ein eindrucksvolles Beispiel dafür, dass evolutionäre Veränderungen oft nicht in einem einzigen großen Sprung erfolgen. Der Übergang von sexueller Fortpflanzung zur Jungfernzeugung verlief offenbar über eine Reihe von Zwischenstufen, von denen die Hybridogenese eine zentrale Rolle spielte. Der Verlust sexueller Fortpflanzung bedeutet dabei nicht zwangsläufig das Ende evolutionärer Innovation. In den untersuchten Stabschrecken scheint gerade diese Veränderung eine bemerkenswerte Vielfalt neuer Fortpflanzungsformen hervorgebracht zu haben.

Quellen

[1] A. Brandt,G. Lavanchy,V. Mérel,L. Soldini,M. Massy,Z. Dumas,E. Gaudichau,M. Labédan,F. Pasquier Genoud,M. Bastardot, & T. Schwander, Hybridogenesis as an intermediate step between sexual reproduction and parthenogenesis in stick insects, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (22) e2535700123, https://doi.org/10.1073/pnas.2535700123 (2026).