Interaktionen von Hormonen & Verhalten in arktischen Gänsen

Im Regulieren von biologischen Rhythmen spielt die tägliche oder jahreszeitliche Ausschüttung von Hormonen zur Synchronisierung biochemischer -, physiologischer - und Verhaltensprozesse eine sehr wichtige Rolle. Da jedoch verschiedene Hormone untereinander auf verschiedenen Ebenen interagieren, um Verhalten zu modulieren, führt das Untersuchen nur eines Hormons notwendigerweise zu einem unvollständigen Bild. Kein einzelnes Hormon hat eine Eins-zu-Eins-Beziehung zu einem bestimmten Verhalten, genauso wenig wie ein bestimmtes Verhalten von nur einem einzigen Hormon reguliert wird. Mein Ziel ist es ein umfassenderes Verständnis der Zusammenhänge dreier rhythmischer Hormone und deren Einfluss auf tägliche und saisonale Verhaltensmuster auf individueller Ebene zu erhalten. Dies ist insofern sehr bedeutsam, weil fehlgesteuerte biologische Uhren bzw. Abweichungen vom körpereigenen Rhythmus zu ernsthaften gesundheitlichen Konsequenzen führen können. Als Modellorganismus dient eine der am besten untersuchten Kolonien von Nonnengänsen (Branta leucopsis) weltweit. Da diese Gänse seit Jahrzehnten detailliert untersucht werden, sind ca. 2/3 der Tiere individuell beringt (z.B. für 2018: Identifikation von 335 Individuen (Stand 07.08.). Sie brüten im Sommer in der Hocharktis (Spitzbergen, Norwegen, 7855` N, 1215` O), überwintern sehr lokal in Schottland, und die Frühjahrs- und Herbstzugrouten sind detailliert beschrieben. Die notwendige Technologie und Laboranalytik wurde bereits erfolgreich an Nonnengänsen angewandt. Als wesentlicher Haupttaktgeber biologischer Uhren für rhythmische Vorgänge gilt Melatonin, welches nicht nur tägliche Aktivitäten wie den Schlaf-Wach-Rhythmus oder Fress- und Ruhezeiten, sondern auch regelmäßige, jahreszeitliche Handlungen wie Winterschlaf, Mauser, Vogelzug und Fortpflanzung steuert. Die Ausschüttung von Melatonin wird durch den natürlichen Hell-Dunkel-Rhythmus im Tagesgang kontrolliert, wobei Licht eine Hemmung bewirkt, Dunkelheit diese jedoch auflöst, was zu einer Ausschüttung führt. Melatonin ist auch für die Regulierung anderer rhythmischer Hormone wie Prolaktin und Kortikosteron, verantwortlich. Neben anderen spezifischen Aufgaben, sind alle drei Hormone an der Stressregulierung, einem grundlegenden physiologischen System, beteiligt. Der Zusammenhang zwischen Melatonin und dem Hell-Dunkel Rhythmus ist in den gemäßigten Breiten klar definiert. Oberhalb des Nördlichen und unterhalb des Südlichen Polarkreises (66 N/S), wo im Sommer 24 Stunden Helligkeit und im Winter 24 Stunden Dunkelheit vorherrschen, ist der Hell-Dunkel-Rhythmus jedoch kein zuverlässiges Signal, was für zirkadiane Studien besonders faszinierend ist. In der Tat sind die bisherigen Ergebnisse ambivalent: bei manchen Tierarten geht die Rhythmik der Melatoninausschüttung, und die damit verbundenen physiologischen und Verhaltensvorgänge verloren, wogegen andere Arten sie beibehalten. Da wir kürzlich das Vorhandensein eines intakten, jedoch phasenverschobenen Tagesrhythmus in Kortikosteron in arktischen Nonnengansgösseln gezeigt haben, will ich in dieser Studie erstmals untersuchen, wie sich bei individuellen Gänsen die drei Hormone unter polaren Sommerlichtbedingungen zueinander verhalten, und ob sie mit Aktivität einhergehen. Neu ist auch, dass wir beabsichtigen, die Datennahme an diesen Gänsen über das gesamte Jahr fortzuführen, um jahreszeitliche Anpassungen und Beziehungen der Hormone an biologisch relevante Vorgänge wie den Zug oder Aktivität im Winterquartier zu untersuchen.

Endogene biologische Uhren koordinieren physiologische und Verhaltensprozesse, die rhythmisch ablaufen und auf bestimmte Tages- oder Jahreszeiten beschränkt sind. Die Tageslänge dient als primärer Zeitgeber, um diese Prozesse zu synchronisieren. In diesem Zusammenhang stellen die Polarregionen eine Herausforderung für alle Organismen dar, da sie durch ununterbrochenes Tageslicht im Sommer und durchgehender Dunkelheit im Winter gekennzeichnet sind. Obwohl einige Arten im Polarsommer noch in der Lage sind eine intakte Tagesrhythmik des Verhaltens und der Hormonausschüttung aufrechtzuerhalten, ist dies bei anderen nicht der Fall. Grundsätzlich wollten wir hier das Zusammenspiel zwischen Verhalten und Hormones individueller Nonnengänse über den Jahresverlauf untersuchen. Unsere Hauptziele waren die Wechselwirkungen zwischen Aktivitätsmustern und physiologischer Rhythmik dreier Hormone mit typischen Ausschüttungsmustern im Verlauf der Fortpflanzungszeit unter arktischen Sommerbedingungen und zu Zeiten, wenn sich diese Individuen unter klar definierten Tageslängen aufhalten, also im Winterquartier, dem Herbst- und Frühlingszug, zu untersuchen. Letzteres konnten wir aufgrund der COVID-19-Pandemie nicht bearbeiten. Die relativ kurzfristige Organisation von Reisen nach Norwegens zum Besammeln der Gänse während des Zuges und in das Vereinigte Königreich im Winter war wegen der sich wöchentlich ändernden Reisebestimmungen nicht möglich. Einhergehend damit waren zudem fehlende Regelungen für geplante Tierversuche aufgrund des Brexit und ein Verbot zum Besuch des Überwinterungsgebietes nach Ausbruch der Vogelgrippe. Spitzbergen haben wir trotz immenser ungeplanter Kosten und enormen logistischen Aufwand in den Sommermonaten 2020 und 2021 besucht. Hier untersuchten wir die Rhythmik der Aktivität während des Brütens, der Aufzucht der Jungen und der Mauser. Mittels Photofallen und Beschleunigungssensoren fanden wir, dass Gänse ca. fünf 20-minütige Brutpausen pro Tag einlegen, die einem zirkadianen Muster, d.h. einem natürlich wiederkehrenden Rhythmus in einem 24-Stunden-Zyklus folgen, und dass sie zur konventionellen Tageszeit aktiver sind. Während der flugunfähigen Zeit der Mauser zeigen Gänse ohne Jungen stark rhythmische Aktivität über einen 12-Stunden-Zyklus, wogegen Gänse mit Nachwuchs bis zum Flüggewerden der Jungen keine rhythmische Aktivität erkennen lassen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass Elterntiere sich den sich ändernden Bedürfnissen der Jungen über die Entwicklung anpassen und nicht umgekehrt. Wir haben auch die hormonelle Rhythmik untersucht. Wir extrahierten Kortikosteron-, Melatonin- und Prolaktin-Abbauprodukte (2020: 350 Proben von 26 Individuen; 2021: 334 Proben von 52 Individuen, verteilt gleichmäßig über 24 Stunden und die gesamte Brutsaison). In beiden Jahren fanden wir Tagesrhythmen in Kortikosteron und Prolaktin. Leider konnten wir die Analysen von Melatonin nicht abschließen, weil die zusätzlichen Kosten aufgrund der Pandemie unser finanzielles Budget sprengten. Abschließend ist zu sagen, dass Nonnengänse, die in der hohen Arktis brüten, trotz des Fehlens eines klaren Tag-Nacht Zyklus tägliche und saisonale rhythmische physiologische und Verhaltensprozesse beibehalten. In einem nächsten Schritt beabsichtigen wir unter anderem die Analysen von Melatonin zu vervollständigen, die fehlenden Herbst-, Winter und Frühjahresdaten zu sammeln, und zu klären, welche anderen Zeitgeber die gefundenen rhythmischen Muster regeln.