Großkatzen und das Geheimnis ihrer Zeichnung

Melanismus – Morphogene – Mathematik

Ein Sprichwort besagt, ein Leopard verliert auch im Regen seine Flecken nicht. Doch hat ein Leopard überhaupt „Flecken“, und welche evolutionären Mechanismen und Strategien stecken hinter der Fellzeichnung von Großkatzen?

Sind schwarz gefärbte Tiere aggressiver?

Im Prinzip sind ja alle Arten der Familie Felidae (Katzen) gemustert. Bei Löwen sind zwar im Erwachsenenalter einfarbig, die Jungen aber sind gefleckt – und zwar ganz ähnlich wie ihre nächsten Verwandten, die Leoparden (Panther). Bei einigen Arten gibt es auch schwarze Individuen: Bei Leoparden wird die Schwarzfärbung, auch Melanismus genannt, rezessiv vererbt, bei Jaguaren dominant. In ein und demselben Wurf können schwarze und gefleckte Jaguare vorkommen. Für die Beobachtung, daß etwa schwarze Panther aggressiver sind als andere, gibt es eine nette psychologische Erklärung: Da die Schwarzen in den Würfen meist in der Minderzahl sind, werden sie scheel angesehen, man erinnere sich nur an das Märchen und Gleichnis vom hässlichen Entlein. Schwärzlinge müssen daher mehr um Rang und Futter kämpfen und entwickeln zumal auch höhere Aggressivität.

Melanozyten und Melanismus

Grundsätzlich wird die Farbe der Fellhaare von Pigmentzellen (Melanozyten) bestimmt, die unter der Haut liegen und den Farbstoff Melanin bilden, den sie an das Haar abgeben. Dabei unterscheidet man zwei Sorten: Eumelanin, das die Haare schwarz bis braun färbt, und Phaeomelanin, das eine gelbe bis rötlich-orange Färbung bewirkt. Tiere mit Melanismus erzeugen mehr Melanin; wenn man genau hinsieht, erkennt man aber auch bei ihnen die typische Zeichnung. Wie kann man die Raubkatzen an ihrem Muster erkennen? Tiger sind leicht zu identifizieren, da gestreift. Geparde haben vergleichsweise kleine Flecken, charakteristisch sind die „Tränenstreifen“, die sich von den inneren Augenwinkeln hinab zu den Mundwinkeln erstrecken. Bei Jaguaren und Leoparden spricht man  nicht von Flecken, sondern Rosetten: In deren Mitte sind hellere Bereiche. Bei Jaguaren sind die Rosetten größer als bei Leoparden und tragen in ihrer Mitte einen schwarzen Punkt, aber der Unterschied ist für einen Laien nicht leicht erkennbar. Da hält man sich besser an den Körperbau – der Jaguar ist schwerer und massiger – oder an die Kopfform.

Fellzeichnung durch „Morphogene“?

Für Mathematiker sind tierische Muster seit langem eine Herausforderung. Schon Alan Turing, Vater der modernen Computertheorie, befaßte sich damit. 1952 postulierte er einen chemischen Mechanismus für die Entstehung von Fellzeichnungen. Danach werden die Muster durch die Konzentration von – ihm völlig unbekannten – „Morphogenen“ geprägt. Diese Morphogene sollen diffundieren und miteinander reagieren können. Auf diese Weise läßt sich bei zwei Morphogenen ein System von zwei Differentialgleichungen aufstellen, sogenannte Reaktions-Diffusions-Gleichungen. Ohne Diffusion würden Morphogene bis zur Erreichung des chemischen Gleichgewichts miteinander reagieren – und zwar überall gleich. Die Diffusion wirkt gegen die Etablierung eines Gleichgewichts und stabilisiert daher – so paradox es klingt – Instabilitäten.

Wie Flecken entstehen

Reaktions-Diffusions-Modelle beschreiben auch rein chemische Prozesse gut: Ein spektakuläres Beispiel sind die oszillierenden Belousov-Zhabotinsky- Reaktionen, bei denen eine Lösung etwa alle zwei Minuten von Blau nach Rot oder umgekehrt umschlägt. Hier ist allerdings die Zeit eine Variable; Blinken ist ja sozusagen das zeitliche Pendant zu räumlichen Streifen. Im Fall der Fellzeichnungen ist eines der beiden Modell-Morphogene ein Aktivator, der die Bildung von Melanin anregt, das andere ein Inhibitor,
der die Produktion von Melanin stoppt. Wenn nun	Jaguar
etwa ein Inhibitor schneller diffundiert als der Aktivator, kann eine Insel mit hoher Konzentration des Aktivators entstehen: ein Fleck also. Manche neuen Modelle, etwa das „Clonal Mosaic Model“, gehen nicht von antagonistischen Morphogenen aus, sondern von der Wanderung von Zellen, die Abkömmlinge („Klone“) einer gemeinsamen Vorgängerzelle sind. Die Ergebnisse sind erstaunlich ähnlich.  Einer der ersten, der konsequent versuchte, mit Hilfe von Reaktions-Diffusions -Modellen die Fellzeichnung zu verstehen , war James D. Murray, mathematischer Biologe
an der University of Washington.	Leopard

Ein wesentliches Ergebnis seiner Simulationen: Nur durch Änderung der Größe und Geometrie der zu „bemusternden“ Fläche lassen sich sehr unterschiedliche Muster erzeugen, was für Mathematiker nicht verblüffend ist. Sie wissen, wie wichtig Randbedingungen für die Lösung von Systemen von Differentialgleichungen sind. Man denke an die Schwingungen diverser Trommeln: Nur durch Variation von Größe und Form entstehen bei denselben Materialien nicht nur verschiedene Tonhöhen, sondern auch ganz verschiedene Klänge.

Embryonale Phase für Muster entscheidend

Bei Tieren werden die Muster bereits in der embryonalen Phase angelegt. Daher ist es entscheidend, wann in der Embryogenese dieser Prozeß aktiviert wird. So sollten laut Murrays Rechnungen kleine Tiere mit kurzen Tragzeiten einheitlich gefärbt sein, was sie meistens auch sind. Wenn der Embryo zur Zeit der Aktivierung schon etwas größer ist, können die Tiere halb schwarz, halb weiß werden – wie etwa Honigdachs oder Walliser Ziege. Dann steigt die Komplexität der Muster mit wachsender Fellfläche zur Zeit der Aktivierung stetig – bis zu den Giraffen. Ganz große Tiere sollen dieser Theorie nach wieder uni gefärbt sein: siehe Elefanten, Flußpferde und Nashörner. Murray konnte mit seinen Simulationen auch erklären, warum die Schwänze der Leoparden fast bis zur Spitze gefleckt sind, während sie bei Geparden und Jaguaren am Ende gestreift sind.  Bei Leoparden ist nämlich – im Gegensatz zu anderen Großkatzen – der Schwanz im embryonalen Stadium spitzkegelig und vergleichsweise kurz. Selbst wenn man die Bildung von Mustern noch so gut erklären kann, bleibt die Frage: Sind die Muster mehr oder weniger zufällige Nebenprodukte notwendiger Schritte in der Embryonalentwicklung, oder sind sie selbst durch Selektion entstanden? Daß die Melaninproduktion insgesamt mit den Breitengraden variiert, weil Melanin die UV-Strahlen abfängt, ist bekannt. So hat der Sibirische Tiger ein helleres Fell als seine Verwandten in wärmeren Regionen. Und bei allen Großkatzen sind Körperteile, die der Sonne weniger ausgesetzt sind, heller als der Rest (Innenseiten der Beine, Unterseite des Halses)

Muster als Tarnung?

Aber wozu können die Muster gut sein? Naheliegende Antwort: zur Tarnung. Allerdings wird es schwer fallen, die Zeichnungen der Giraffen daraus zu erklären, daß sie vor ähnlich gefleckter Umgebung weiden. Bei Zebras gibt es die Erklärung, daß die Anophelesmücken, welche die Malaria übertragen, eher auf einfarbige Tiere ansprechen als auf gestreifte. Es fragt sich allerdings, warum die Mücken, deren Generationsdauer ja viel kürzer ist als die der Zebras, sich nicht schon längst so entwickelt haben, daß ihre Vorlieben besser ihrem Vorteil dienen. Oft hört man auch, daß schwarze Panther besser in der Nacht jagen können, da man sie schlechter sieht. So groß kann dieser Effekt aber nicht sein, sonst hätte sich der Melanismus längst durchgesetzt. Mit der natürlichen Selektion kommt man bei der Erklärung der Muster offenbar nicht sehr weit. Eine nicht zu unterschätzende Rolle dürfte die sexuelle Selektion spielen: es ist naheliegend, daß die gut sehenden Raubkatzen ihre Sexualpartner auch an ihrer Zeichnung erkennen oder sie nach deren Ausformung aussuchen.

Anm. CANIS: Dieser Text ist eine verkürzte und abgewandelte Form eines Artikels von Thomas Kramar, der am 9.3.2002 in „Die Presse“ erschienen war.

Home