Überbevölkerung kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen: Eine neue Studie erklärt, warum

Seit Jahrzehnten beobachten Wissenschaftler, dass eine hohe Populationsdichte die Fortpflanzung bei zahlreichen Tierarten beeinflussen kann. Hühner, die unter beengten Bedingungen gehalten werden, legen weniger Eier, Mäuse bringen kleinere Würfe zur Welt und auch beim Menschen weisen mehrere Studien auf einen Zusammenhang zwischen einer hohen Bevölkerungsdichte und einer sinkenden Fruchtbarkeit hin. Zwar spielen äußere Einflüsse wie Ressourcenknappheit, Konkurrenz oder sozialer Stress dabei zweifellos eine wichtige Rolle. Dennoch vermuten Forscher schon seit Langem, dass auch biologische Mechanismen existieren könnten, die im Laufe der Evolution entstanden sind, um das Wachstum von Populationen zu begrenzen.

Eine neue Studie der University of Colorado Boulder (CU Boulder), die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, liefert nun Hinweise auf einen solchen Mechanismus. Den Forschern zufolge setzen Tiere unter Bedingungen starker Überbelegung einen speziellen Botenstoff frei, der Eizellen schädigen, die Entwicklung von Embryonen beeinträchtigen und sogar genetische Veränderungen hervorrufen kann, die an nachfolgende Generationen weitergegeben werden.

Geburtenraten sinken trotz wachsender Weltbevölkerung

„Es ist gut dokumentiert, dass die Populationsdichte einen direkten und negativen Einfluss auf die Fruchtbarkeit von Menschen und Tieren hat, doch die zugrunde liegenden Mechanismen waren bislang unklar“, erklärt Studienleiter Professor Ding Xue vom Department für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie der CU Boulder. „Unsere Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Überbevölkerung verschiedene Entwicklungsstörungen verursachen kann, darunter eine verminderte Fruchtbarkeit und eine erhöhte Sterblichkeit.“

Die Veröffentlichung der Studie fällt in eine Zeit, in der die Weltbevölkerung weiter wächst. Mittlerweile leben rund 8,3 Milliarden Menschen auf der Erde – etwa dreimal so viele wie noch im Jahr 1950. Gleichzeitig entwickeln sich die Geburtenraten in die entgegengesetzte Richtung. Weltweit sank die durchschnittliche Zahl der Geburten pro Frau von rund fünf Kindern im Jahr 1950 auf 2,3 Kinder im Jahr 2021. Hinzu kommt, dass Unfruchtbarkeit weltweit ein zunehmendes Gesundheitsproblem darstellt. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) ist etwa jeder sechste Mensch im Laufe seines Lebens davon betroffen. Als Unfruchtbarkeit gilt dabei die Unfähigkeit, trotz regelmäßigen ungeschützten Geschlechtsverkehrs innerhalb von zwölf Monaten eine Schwangerschaft zu erreichen.

„Überbevölkerung und der Stress, der durch beengte Lebensverhältnisse entsteht, gehören inzwischen zu den großen Herausforderungen moderner Gesellschaften – insbesondere in Städten, in denen inzwischen rund zwei Drittel der Weltbevölkerung leben“, sagt Xue. Die jetzt vorgestellten Ergebnisse könnten deshalb wichtige molekulare Hinweise darauf liefern, wie sich solche Umweltbedingungen langfristig auf die Gesundheit auswirken.

Eine zufällige Entdeckung bei der Erforschung von Strahlenschäden

Die aktuellen Erkenntnisse entstanden eher zufällig. Ursprünglich beschäftigte sich Xues Arbeitsgruppe mit einem völlig anderen Forschungsgebiet – dem sogenannten strahleninduzierten Bystander-Effekt (Radiation-Induced Bystander Effect, RIBE).

Dieses Phänomen ist aus der Krebsmedizin bekannt. Bei einer Strahlentherapie werden zwar gezielt Tumorzellen bestrahlt, dennoch können auch gesunde Zellen außerhalb des eigentlichen Bestrahlungsfeldes geschädigt werden. Diese indirekten Auswirkungen werden unter anderem mit Nebenwirkungen wie Müdigkeit, Haarausfall oder einer eingeschränkten Fruchtbarkeit in Verbindung gebracht. Aus diesem Grund wird schwangeren Frauen grundsätzlich empfohlen, unnötige Strahlenbelastungen zu vermeiden.

Bereits 2017 konnte Xues Arbeitsgruppe in einer in Nature veröffentlichten Studie zeigen, wodurch dieser Effekt beim Fadenwurm Caenorhabditis elegans ausgelöst wird. Demnach setzen durch Strahlung gestresste Zellen ein Protein mit der Bezeichnung Cysteinprotease-verwandtes Protein 4 (CPR-4) frei. Dieses wandert zu anderen, ursprünglich gesunden Zellen und kann dort DNA-Schäden verursachen. Ähnliche molekulare Botenstoffe existieren auch bei anderen Tierarten, darunter Mäuse und Menschen. Dort übernimmt ein verwandtes Enzym, die Cathepsin-B-Cysteinprotease, vergleichbare Aufgaben.

Überbelegung löst denselben biologischen Mechanismus aus

In einer späteren Folgestudie stießen die Wissenschaftler auf eine unerwartete Beobachtung, die ihre bisherige Forschung in eine neue Richtung lenkte. Die untersuchten Fadenwürmer schütteten das Protein CPR-4 nämlich nicht nur als Reaktion auf eine Strahlenbelastung aus. Auch dann, wenn die Tiere über längere Zeit unter extrem beengten Bedingungen lebten und die Populationsdichte stark anstieg, wurde das Enzym in deutlich erhöhten Mengen freigesetzt. Diese Entdeckung deutete darauf hin, dass nicht nur Strahlung, sondern auch Umweltstress durch Überbelegung ähnliche molekulare Reaktionen im Organismus hervorrufen kann.

Bei einer genaueren Analyse stellten die Forscher fest, dass sich die biologischen Veränderungen in den Zellen der überfüllten Wurmkolonien kaum von denen unterschieden, die zuvor nach einer Strahlenexposition beobachtet worden waren. Auf molekularer Ebene aktivierten beide Belastungen vergleichbare Signalwege, die letztlich zu DNA-Schäden und einer Beeinträchtigung der Keimzellen führten. Nach Ansicht der Wissenschaftler scheint der Organismus sowohl auf ionisierende Strahlung als auch auf extremen Populationsstress mit derselben Schutz- beziehungsweise Stressreaktion zu reagieren.

Diese Erkenntnis überraschte das Forschungsteam, da bislang nicht bekannt war, dass Überbelegung einen so tiefgreifenden Einfluss auf zelluläre Prozesse haben könnte. Sie legt nahe, dass das Protein CPR-4 nicht ausschließlich auf Strahlenschäden reagiert, sondern Teil eines allgemeinen biologischen Warnsystems sein könnte. Steigt die Populationsdichte über ein bestimmtes Maß hinaus, könnte das Enzym als chemischer Botenstoff ausgeschüttet werden und Signale an andere Zellen senden, die wiederum Veränderungen im Erbgut und in der Fortpflanzung auslösen.

Die Forscher vermuten, dass sich hinter diesem Mechanismus eine evolutionäre Anpassung verbergen könnte. Indem unter Bedingungen extremer Überbelegung die Fruchtbarkeit sinkt und gleichzeitig genetische Veränderungen in den Keimzellen zunehmen, könnte das Wachstum einer Population auf natürliche Weise gebremst werden. Ob dieser Mechanismus tatsächlich eine biologische Strategie zur Regulierung von Populationen darstellt oder andere Funktionen erfüllt, müssen jedoch weitere Untersuchungen zeigen.

Mehr Mutationen und weniger Nachwuchs: Genetische Veränderungen können vererbt werden

Für die aktuelle Studie verglichen die Wissenschaftler Würmer, die in unterschiedlich großen Kolonien gehalten wurden. Dabei zeigte sich, dass die Tiere unter normalen Bedingungen kaum CPR-4 freisetzten. Überschritt die Kolonie jedoch eine Größe von etwa 3.000 Individuen, begann die Ausschüttung des Proteins deutlich anzusteigen. Mit zunehmender Überfüllung erhöhte sich auch die Menge des Enzyms.

Die Folgen waren deutlich messbar. Das Protein verursachte DNA-Schäden in den Keimzellen, also jenen Zellen, aus denen später Ei- und Samenzellen entstehen. Parallel dazu sank die Zahl der Nachkommen erheblich. Zudem wiesen viele der überlebenden Jungtiere sichtbare Entwicklungsstörungen auf. Ähnliche Effekte beobachteten die Forscher auch in Experimenten mit Mäusen. Im Durchschnitt traten bei Tieren, die unter beengten Bedingungen lebten, 87 Prozent mehr genetische Mutationen in den Fortpflanzungszellen auf als bei Tieren mit ausreichend Platz.

Besonders bemerkenswert war das Ergebnis der anschließenden Genomsequenzierung. Sie zeigte, dass ein Teil der durch Überbelegung ausgelösten genetischen Veränderungen nicht auf die unmittelbar betroffenen Tiere beschränkt blieb, sondern an nachfolgende Generationen weitergegeben wurde. Nach Einschätzung der Autoren deutet dies darauf hin, dass Überbelegung nicht nur die Fruchtbarkeit beeinflussen, sondern möglicherweise auch die genetische Entwicklung von Populationen langfristig verändern könnte. Die Studie liefert damit Hinweise darauf, dass Umweltstress unter bestimmten Bedingungen sogar evolutionäre Prozesse beeinflussen kann.

Blockiertes Enzym verhindert die negativen Auswirkungen

Um die genaue Bedeutung des Proteins CPR-4 für die beobachteten Veränderungen besser zu verstehen, führten die Forscher weitere Experimente durch, bei denen sie das Enzym gezielt ausschalteten beziehungsweise seine Aktivität hemmten. Auf diese Weise konnten sie untersuchen, ob CPR-4 tatsächlich der entscheidende Auslöser für die durch Überbelegung verursachten Schäden ist oder ob andere Faktoren eine größere Rolle spielen.

Die Ergebnisse waren eindeutig: Wurde das Enzym blockiert, blieben die zuvor beobachteten negativen Folgen der hohen Populationsdichte weitgehend aus. Die Tiere zeigten weniger DNA-Schäden in ihren Fortpflanzungszellen, die Zahl genetischer Veränderungen nahm ab und auch die Beeinträchtigungen der Fortpflanzungsfähigkeit konnten deutlich reduziert werden. Damit lieferten die Experimente einen wichtigen Hinweis darauf, dass CPR-4 nicht nur mit den Folgen der Überbelegung zusammenhängt, sondern aktiv an der Entstehung dieser Veränderungen beteiligt sein könnte.

Nach Ansicht der Wissenschaftler deutet dies darauf hin, dass Cysteinproteasen wie CPR-4 beziehungsweise das verwandte Enzym Cathepsin B eine zentrale Schnittstelle zwischen Umweltstress und biologischen Veränderungen darstellen könnten. Wenn der Organismus einer starken Belastung durch hohe Populationsdichte ausgesetzt ist, könnten diese Enzyme eine Kaskade von Prozessen auslösen, die letztlich die DNA von Keimzellen schädigen und dadurch die Fruchtbarkeit beeinträchtigen.

Die Ergebnisse eröffnen gleichzeitig neue Forschungsansätze. Sollte sich der Mechanismus auch bei anderen Tierarten und möglicherweise beim Menschen bestätigen, könnten Hemmstoffe gegen diese Enzyme künftig eine Rolle in bestimmten medizinischen oder landwirtschaftlichen Anwendungen spielen. Dennoch betonen die Autoren, dass die bisherigen Erkenntnisse vor allem aus Tiermodellen stammen und weitere Studien notwendig sind, bevor eine Übertragbarkeit auf den Menschen beurteilt werden kann.

Mögliche Anwendungen in Medizin und Landwirtschaft

Professor Xue und sein Team haben inzwischen bereits eine Verbindung entwickelt und patentieren lassen, die das verwandte Enzym Cathepsin B bei Tieren hemmen kann. Nach Angaben der Forscher weist der Wirkstoff bislang ein günstiges Sicherheitsprofil auf.

Sollten sich die aktuellen Ergebnisse in weiteren Studien bestätigen, könnten sich daraus unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten ergeben. In der Landwirtschaft wäre beispielsweise denkbar, durch eine gezielte Hemmung des Enzyms die Eierproduktion bei Geflügel oder die Fortpflanzung in der Fischzucht zu verbessern. Gleichzeitig könnten die Erkenntnisse langfristig neue therapeutische Ansätze für Menschen eröffnen, die unter Fruchtbarkeitsstörungen leiden und sich eine eigene Familie wünschen.

Bis dahin bleibt jedoch offen, inwieweit die bei Würmern und Mäusen beobachteten Mechanismen tatsächlich auf den Menschen übertragbar sind. Die Studie liefert dennoch einen wichtigen Hinweis darauf, dass Überbelegung weit mehr sein könnte als ein sozialer Stressfaktor – sie könnte tief in grundlegende biologische Prozesse eingreifen, die Fortpflanzung beeinflussen und möglicherweise sogar genetische Veränderungen über Generationen hinweg mitprägen.