Wie sich der Hering an die Ostsee anpasste

Originalartikel:
Nadja Podbregar: Wie sich der Hering an die Ostsee anpasse. In: Bild der Wissenschaft, 13. Mai 2026.

Leif Andersson: How the Atlantic herring adapted to the brackish water of the Baltic Sea, Uppsala Universitet 11. Mai 2026 (Pressmitteilung)

Cheng Ma et al.: Sperm, egg, and embryo proteins critical for genetic adaptation of herring to low salinity in the Baltic Sea. PNAS 11. Mai 2026 (Original-Artikel)

KI-Zusammenfassung

Prompt: "Fasse den Artikel aus Bild der Wissenschaft zusammen. Schwerpunkt der Zusammenfassung sollten die Anpassungen des Herings an den niedrigen Salzgehalt der Ostsee sein. Ergänze die genetischen Mechanismen (Ionenkanäle, Osmose etc.) so, dass sie von Schüler(innen) der Sek. II gut verstanden werden, recherchiere und ergänze dazu weitere Informationen aus der Fachliteratur oder dem Internet."

Das Ergebnis von ChatGPT am 12.08.2026

Vor rund 8000 Jahren, nach dem Ende der letzten Eiszeit, entstand die heutige Ostsee. Atlantische Heringe (Clupea harengus) gehörten zu den ersten Meeresfischen, die in dieses neue Gewässer einwanderten. Dabei trafen sie allerdings auf völlig andere Bedingungen als im Atlantik: Während Meerwasser im Nordatlantik einen Salzgehalt von etwa 3,5 % besitzt, liegt er in Teilen der Ostsee nur bei 0,2 bis 0,3 %. Die Ostsee ist also ein Brackwassermeer.

Das Problem: Osmose

Für einen Meeresfisch stellt ein so niedriger Salzgehalt eine erhebliche physiologische Herausforderung dar. Besonders kritisch ist die Situation bei der Fortpflanzung. Heringe geben ihre Eier und Spermien ins Wasser ab, die Befruchtung findet also außerhalb des Körpers statt. Spermien, Eizellen und die frühen Embryonen sind damit unmittelbar dem niedrigen Salzgehalt des Ostseewassers ausgesetzt.

Dabei spielt die Osmose eine entscheidende Rolle. Zellmembranen sind für Wasser gut durchlässig, während viele gelöste Stoffe die Membran nicht ohne Weiteres passieren können. Befinden sich in einer Zelle mehr osmotisch wirksame Teilchen als im umgebenden Wasser, strömt Wasser durch Osmose in die Zelle. Genau diese Situation entsteht, wenn die an Meerwasser angepassten Keimzellen eines Herings plötzlich in sehr salzarmes Wasser gelangen. Sie nehmen Wasser auf, schwellen an und können dadurch geschädigt werden.

Die Vorfahren der heutigen Ostseeheringe standen deshalb unter einem starken Selektionsdruck: Nur Tiere, deren Eier und Spermien auch bei niedrigem Salzgehalt funktionsfähig blieben, konnten sich erfolgreich fortpflanzen.

Ein angepasster Ionenkanal schützt die Spermien

Eine besonders interessante Anpassung betrifft das Gen LRRC8C2. Es codiert einen Anionenkanal, der bei Heringen speziell in den Spermien vorkommt. Solche Kanalproteine bilden Poren in der Zellmembran, durch die bestimmte Ionen und andere kleine gelöste Teilchen transportiert werden können.

Bei den Ostseeheringen unterscheidet sich dieses Protein durch mehrere Veränderungen seiner Aminosäuresequenz von der entsprechenden Variante der Atlantikheringe. Der daraus entstehende Kanal besitzt eine größere Öffnung. Dadurch können Ionen und sogenannte Osmolyte – kleine gelöste Moleküle, die zur Regulation des osmotischen Gleichgewichts beitragen – leichter ausgetauscht werden.

Gelangt nun durch Osmose Wasser in ein Spermium, kann dieses gleichzeitig gelöste Teilchen abgeben. Dadurch sinkt die Konzentration osmotisch wirksamer Stoffe im Zellinneren und damit auch der weitere Wassereinstrom. Auf diese Weise lässt sich das Zellvolumen regulieren, sodass die Spermien im salzarmen Ostseewasser weniger stark anschwellen und funktionsfähig bleiben.

Auch die Eier mussten angepasst werden

Bei den Eiern löste die Evolution das Problem auf eine andere Weise. Hier veränderten sich unter anderem das Gen ZPBA1, das für ein Protein der Eihülle codiert, sowie drei Gene für Enzyme mit der Bezeichnung FTG1–3.

Diese Enzyme gehören zu den Transglutaminasen. Sie können Proteine miteinander vernetzen. Die veränderten Proteine und Enzyme der Ostseeheringe sorgen gemeinsam dafür, dass nach der Befruchtung eine besonders feste und stabile Eihülle entsteht. Sie begrenzt die Wasseraufnahme und verhindert dadurch, dass die Eier im Brackwasser zu stark aufquellen.

Damit entstand allerdings ein neues Problem: Eine besonders widerstandsfähige Eihülle schützt zwar den Embryo, erschwert später aber das Schlüpfen der Larve.

20 zusätzliche Genkopien helfen beim Schlüpfen

Auch hierfür findet sich bei den Ostseeheringen eine bemerkenswerte genetische Anpassung. Die Larven bilden ein spezielles Schlüpfenzym, das die Eihülle chemisch abbaut. Bei Ostseeheringen existieren auf einem Chromosom rund 20 zusätzliche Kopien des Gens HE1C, das für ein solches Enzym codiert.

Dadurch kann während der Embryonalentwicklung besonders viel beziehungsweise eine an die Bedingungen der Ostsee angepasste Form des Schlüpfenzyms hergestellt werden. Kurz vor dem Schlüpfen wird die zuvor besonders stark vernetzte Eihülle enzymatisch abgebaut, sodass die Larve sie durchbrechen kann.

Evolution durch natürliche Selektion

Die Anpassung des Herings an die Ostsee beruht somit nicht auf einer einzigen Mutation. Besonders wichtig waren Veränderungen mehrerer voneinander unabhängiger Gene, die verschiedene Stadien der Fortpflanzung betreffen:

• LRRC8C2: veränderter Ionenkanal → bessere Regulation des Volumens der Spermien
• ZPBA1 und FTG1–3: stabilere und stärker vernetzte Eihülle → Schutz der Eier vor übermäßiger Wasseraufnahme
• HE1C: zusätzliche Genkopien und angepasstes Schlüpfenzym → Abbau der verstärkten Eihülle beim Schlüpfen

Genomvergleiche zeigen, dass diese Genvarianten bei den in der Ostsee laichenden Heringen heute nahezu vollständig verbreitet sind. Das spricht für einen starken Einfluss der natürlichen Selektion. Interessanterweise stammen Varianten zweier beteiligter Genbereiche wahrscheinlich ursprünglich vom nahe verwandten Pazifischen Hering und gelangten durch frühere Kreuzungen in den Genpool des Atlantischen Herings.

Die Entwicklung des Ostseeherings ist damit ein besonders anschauliches Beispiel für Evolution: Genetische Variation war bereits vorhanden oder entstand durch Veränderungen des Erbguts. Der niedrige Salzgehalt wirkte als Selektionsfaktor. Heringe mit Genvarianten, die eine erfolgreiche Fortpflanzung im Brackwasser ermöglichten, hatten eine höhere reproduktive Fitness. Ihre Allele breiteten sich deshalb innerhalb weniger tausend Jahre in der Population aus.

Gerade die Fortpflanzung erwies sich dabei als entscheidender Ansatzpunkt der Evolution. Ein erwachsener Fisch kann seinen Salz- und Wasserhaushalt unter anderem über Kiemen und Nieren regulieren. Frei ins Wasser abgegebene Spermien und Eier besitzen diese Möglichkeiten jedoch nicht. Für die Besiedlung der Ostsee mussten daher vor allem Keimzellen und Embryonen unmittelbar an die neuen osmotischen Bedingungen angepasst werden.

Vor rund 8000 Jahren, nach dem Ende der letzten Eiszeit, entstand die heutige Ostsee. Atlantische Heringe (Clupea harengus) gehörten zu den ersten Meeresfischen, die in dieses neue Gewässer einwanderten. Dabei trafen sie allerdings auf völlig andere Bedingungen als im Atlantik: Während Meerwasser im Nordatlantik einen Salzgehalt von etwa 3,5 % besitzt, liegt er in Teilen der Ostsee nur bei 0,2 bis 0,3 %. Die Ostsee ist also ein Brackwassermeer.

Das Problem: Osmose

Für einen Meeresfisch stellt ein so niedriger Salzgehalt eine erhebliche physiologische Herausforderung dar. Besonders kritisch ist die Situation bei der Fortpflanzung. Heringe geben ihre Eier und Spermien ins Wasser ab, die Befruchtung findet also außerhalb des Körpers statt. Spermien, Eizellen und die frühen Embryonen sind damit unmittelbar dem niedrigen Salzgehalt des Ostseewassers ausgesetzt.

Dabei spielt die Osmose eine entscheidende Rolle. Zellmembranen sind für Wasser gut durchlässig, während viele gelöste Stoffe die Membran nicht ohne Weiteres passieren können. Befinden sich in einer Zelle mehr osmotisch wirksame Teilchen als im umgebenden Wasser, strömt Wasser durch Osmose in die Zelle. Genau diese Situation entsteht, wenn die an Meerwasser angepassten Keimzellen eines Herings plötzlich in sehr salzarmes Wasser gelangen. Sie nehmen Wasser auf, schwellen an und können dadurch geschädigt werden.

Die Vorfahren der heutigen Ostseeheringe standen deshalb unter einem starken Selektionsdruck: Nur Tiere, deren Eier und Spermien auch bei niedrigem Salzgehalt funktionsfähig blieben, konnten sich erfolgreich fortpflanzen.

Ein angepasster Ionenkanal schützt die Spermien

Eine besonders interessante Anpassung betrifft das Gen LRRC8C2. Es codiert einen Anionenkanal, der bei Heringen speziell in den Spermien vorkommt. Solche Kanalproteine bilden Poren in der Zellmembran, durch die bestimmte Ionen und andere kleine gelöste Teilchen transportiert werden können.

Bei den Ostseeheringen unterscheidet sich dieses Protein durch mehrere Veränderungen seiner Aminosäuresequenz von der entsprechenden Variante der Atlantikheringe. Der daraus entstehende Kanal besitzt eine größere Öffnung. Dadurch können Ionen und sogenannte Osmolyte – kleine gelöste Moleküle, die zur Regulation des osmotischen Gleichgewichts beitragen – leichter ausgetauscht werden.

Gelangt nun durch Osmose Wasser in ein Spermium, kann dieses gleichzeitig gelöste Teilchen abgeben. Dadurch sinkt die Konzentration osmotisch wirksamer Stoffe im Zellinneren und damit auch der weitere Wassereinstrom. Auf diese Weise lässt sich das Zellvolumen regulieren, sodass die Spermien im salzarmen Ostseewasser weniger stark anschwellen und funktionsfähig bleiben.

Auch die Eier mussten angepasst werden

Bei den Eiern löste die Evolution das Problem auf eine andere Weise. Hier veränderten sich unter anderem das Gen ZPBA1, das für ein Protein der Eihülle codiert, sowie drei Gene für Enzyme mit der Bezeichnung FTG1–3.

Diese Enzyme gehören zu den Transglutaminasen. Sie können Proteine miteinander vernetzen. Die veränderten Proteine und Enzyme der Ostseeheringe sorgen gemeinsam dafür, dass nach der Befruchtung eine besonders feste und stabile Eihülle entsteht. Sie begrenzt die Wasseraufnahme und verhindert dadurch, dass die Eier im Brackwasser zu stark aufquellen.

Damit entstand allerdings ein neues Problem: Eine besonders widerstandsfähige Eihülle schützt zwar den Embryo, erschwert später aber das Schlüpfen der Larve.

20 zusätzliche Genkopien helfen beim Schlüpfen

Auch hierfür findet sich bei den Ostseeheringen eine bemerkenswerte genetische Anpassung. Die Larven bilden ein spezielles Schlüpfenzym, das die Eihülle chemisch abbaut. Bei Ostseeheringen existieren auf einem Chromosom rund 20 zusätzliche Kopien des Gens HE1C, das für ein solches Enzym codiert.

Dadurch kann während der Embryonalentwicklung besonders viel beziehungsweise eine an die Bedingungen der Ostsee angepasste Form des Schlüpfenzyms hergestellt werden. Kurz vor dem Schlüpfen wird die zuvor besonders stark vernetzte Eihülle enzymatisch abgebaut, sodass die Larve sie durchbrechen kann.

Evolution durch natürliche Selektion

Die Anpassung des Herings an die Ostsee beruht somit nicht auf einer einzigen Mutation. Besonders wichtig waren Veränderungen mehrerer voneinander unabhängiger Gene, die verschiedene Stadien der Fortpflanzung betreffen:

• LRRC8C2: veränderter Ionenkanal → bessere Regulation des Volumens der Spermien
• ZPBA1 und FTG1–3: stabilere und stärker vernetzte Eihülle → Schutz der Eier vor übermäßiger Wasseraufnahme
• HE1C: zusätzliche Genkopien und angepasstes Schlüpfenzym → Abbau der verstärkten Eihülle beim Schlüpfen

Genomvergleiche zeigen, dass diese Genvarianten bei den in der Ostsee laichenden Heringen heute nahezu vollständig verbreitet sind. Das spricht für einen starken Einfluss der natürlichen Selektion. Interessanterweise stammen Varianten zweier beteiligter Genbereiche wahrscheinlich ursprünglich vom nahe verwandten Pazifischen Hering und gelangten durch frühere Kreuzungen in den Genpool des Atlantischen Herings.

Die Entwicklung des Ostseeherings ist damit ein besonders anschauliches Beispiel für Evolution: Genetische Variation war bereits vorhanden oder entstand durch Veränderungen des Erbguts. Der niedrige Salzgehalt wirkte als Selektionsfaktor. Heringe mit Genvarianten, die eine erfolgreiche Fortpflanzung im Brackwasser ermöglichten, hatten eine höhere reproduktive Fitness. Ihre Allele breiteten sich deshalb innerhalb weniger tausend Jahre in der Population aus.

Gerade die Fortpflanzung erwies sich dabei als entscheidender Ansatzpunkt der Evolution. Ein erwachsener Fisch kann seinen Salz- und Wasserhaushalt unter anderem über Kiemen und Nieren regulieren. Frei ins Wasser abgegebene Spermien und Eier besitzen diese Möglichkeiten jedoch nicht. Für die Besiedlung der Ostsee mussten daher vor allem Keimzellen und Embryonen unmittelbar an die neuen osmotischen Bedingungen angepasst werden.

Fachgebiete

Evolutionsbiologie, Genetik, Ökologie

Tags

Hering; Ostsee; Brackwasser; Anpassung; Evolution; natürliche Selektion; Salzgehalt; Osmose; Osmoregulation; Ionenkanäle; Genmutation; Genverdopplung; Fortpflanzung

Diskussionsfragen für den Unterricht

Diese fünf Fragen wurden von der KI Mistral Vibe erstellt, ohne dass ich dazu den Auftrag gegeben habe (der Auftrag war eine schülerfreundliche Zusammenfassung des BdW-Artikels). Ich selbst halte diese Fragen aber für durchaus brauchbar. Schade, dass ich selbst nicht mehr unterrichte, wei ich schon seit Jahren pensioniert bin.

1. Warum ist die äußere Befruchtung des Herings in der Ostsee eine besondere Herausforderung?
2. Wie würde sich ein Atlantischer Hering in der Ostsee verhalten, wenn er keine genetischen Anpassungen hätte?
3. Warum ist die Vergrößerung des Ionenkanals in Spermien ein evolutionärer Vorteil?
4. Welche Rolle spielen Osmoregulation und Ionenkanäle bei der Anpassung an verschiedene Lebensräume?
5. Sollte der Ostsee-Hering als eigenständige Art gelten? Begründe deine Meinung.

Nachdem Mistral so schöne Diskussionsfragen erstellt hat, musste ich natürlich auch mal ChatGPT eine entsprechende Aufgabe geben. Hier das Ergebnis:

1. Warum stellt der geringe Salzgehalt der Ostsee besonders für Eier und Spermien des Herings ein Problem dar? Erklärt dies mithilfe des Prinzips der Osmose.
2. Welche Vorteile hat die veränderte Variante des Ionenkanals LRRC8C2 für die Spermien der Ostseeheringe? Stellt einen Zusammenhang zwischen Proteinstruktur, Ionentransport und Zellvolumen her.
3. Die Eier der Ostseeheringe besitzen eine besonders stabile Eihülle. Warum ist diese Anpassung gleichzeitig von Vorteil und von Nachteil? Wie wurde der Nachteil im Verlauf der Evolution ausgeglichen?
4. Warum können die beschriebenen Veränderungen bei Spermien und Eiern als Ergebnis natürlicher Selektion angesehen werden? Formuliert eine Erklärung mit den Begriffen Variation, Selektionsfaktor, Fitness und Allelfrequenz.
5. Der Salzgehalt der Ostsee nimmt von Westen nach Osten stark ab. Welche Unterschiede würdet ihr deshalb zwischen verschiedenen Heringspopulationen erwarten? Begründet eure Hypothese aus evolutionsbiologischer Sicht.
6. Was könnte mit den Ostseeheringen geschehen, wenn sich der Salzgehalt der Ostsee infolge von Umwelt- oder Klimaveränderungen langfristig deutlich verändert? Diskutiert, ob die heutigen Anpassungen dann weiterhin einen Selektionsvorteil darstellen würden.

Welche Ionenkanal ist für die Anpassung der Spermien verantwortlich?

Eine Frage, die sich mir noch stellte, war die folgende: Welche Ionenkanal hat sich jetzt genau verändert? Der Begriff "Anionenkanal" ist mir noch zu ungenau. Eine weitere Recherche ergab dann, dass es sich um einen Chlorid-Kanal handelt, der aber auch kleinere organische Anionen passieren lässt (VRAC-Kanal).

Hier dazu ein Zitat aus der engl. Wikipedia:

"Volume-regulated anion channels (VRACs) are crucial to the regulation of cell size by transporting chloride ions and various organic osmolytes, such as taurine or glutamate, across the plasma membrane,[1] and that is not the only function these channels have been linked to. Some research has also suggested that VRACs may be water-permeable as well."