Artbildung, Koevolution und Konvergenz

Der Artbegriff und die Artbildung

Eine Art ist im populationsgenetischen Sinn eine Gruppe von Populationen, deren Individuen sich untereinander fortpflanzen und fruchtbare Nachkommen haben. Sie bilden eine Fortpflanzungsgemeinschaft mit einem gemeinsamen Genpool. Zu anderen Arten besteht reproduktive Isolation.

Der Begriff hat Schwächen: Er greift nicht bei Lebewesen mit ungeschlechtlicher Fortpflanzung (z. B. viele Bakterien), nicht bei Fossilien (man kann keine Kreuzungsversuche machen) und er ist unscharf, wenn Arten Hybride bilden können (wie Raben- und Nebelkrähe).

Artbildung läuft in drei Schritten ab: (1) Eine Population wird in Teilpopulationen getrennt, der Genfluss wird unterbrochen. (2) In jeder Teilpopulation verändert sich der Genpool durch Mutation, Rekombination, Selektion und Gendrift unabhängig. (3) Die Unterschiede werden so groß, dass auch bei erneutem Kontakt keine fruchtbaren Nachkommen mehr entstehen: reproduktive Isolation.

Allopatrische und sympatrische Artbildung

Es gibt zwei Wege, auf denen die Trennung geschieht.

Allopatrische Artbildung („in anderem Land“): Die Teilpopulationen sind geografisch getrennt, z. B. durch ein Gebirge, einen Fluss, eine Aufstauung oder die Rückzugsgebiete der Eiszeit. Das gilt als der häufigste und am besten belegte Weg.

Sympatrische Artbildung („im selben Land“): Die Populationen leben im selben Gebiet, ohne geografische Barriere. Der Genfluss wird durch andere Mechanismen unterbrochen: ökologische Isolation (verschiedene Nahrung oder Lebensraum), zeitliche Isolation (verschiedene Blüh- oder Paarungszeiten), Verhaltensisolation (verschiedene Balzrufe oder Farbmuster) oder Polyploidisierung bei Pflanzen.

Reproduktive Isolation ist erreicht, wenn bei Kontakt entweder keine Paarung stattfindet (präzygotische Mechanismen: Balz, Zeit, Ort) oder keine fruchtbaren Nachkommen entstehen (postzygotische Mechanismen: Hybride sterben oder sind unfruchtbar, wie das Maultier).

Hybridzonen und adaptive Radiation

Treffen zwei getrennte Populationen wieder aufeinander, entsteht oft eine Hybridzone. Haben die Hybriden geringere Fruchtbarkeit, sind Individuen im Vorteil, die sich nur mit der eigenen Form paaren. Selektion gegen Hybride verstärkt so die präzygotische Isolation (Verstärkung, „Reinforcement“). Zwei Arten liegen vor, wenn der Genfluss dauerhaft sehr gering ist und die Formen auch im gemeinsamen Gebiet getrennt bleiben. Kriterien sind: geringe Hybridisierungsrate, Fruchtbarkeit der Hybriden, genetische Unterschiede, Merkmale. Genfluss misst man z. B. mit genetischen Markern (DNA-Sequenzen) von Eltern, Nachkommen und Hybriden.

Bei der adaptiven Radiation entstehen aus einer Stammart in kurzer Zeit viele Arten, die verschiedene ökologische Nischen besetzen. Beispiel: die Buntbarsche im Viktoriasee. Treibende Faktoren sind freie Nischen und sexuelle Selektion: Weibchen wählen bevorzugt Männchen mit bestimmter Färbung. Der adaptive Wert dieses Verhaltens zeigt sich in einer Kosten-Nutzen-Analyse: Die wählerische Partnerwahl kostet Zeit und Energie, der Nutzen liegt in Nachkommen mit höherer reproduktiver Fitness, wenn die Färbung z. B. Gesundheit anzeigt. Solche Allele nehmen im Genpool zu. Dadurch trennen sich Paarungsgemeinschaften auch ohne Barriere (sympatrisch). Trübes Wasser, z. B. durch Eutrophierung, verhindert, dass Weibchen Farbunterschiede erkennen. Die Verhaltensisolation bricht zusammen, es kommt zu Hybridisierung, und Arten können verschmelzen.

Koevolution

Koevolution ist die wechselseitige evolutive Anpassung zweier Arten aufgrund ihrer Wechselwirkung. Beispiel: Wiesen-Salbei und Hummel. Hummeln mit passendem Rüssel erreichen mehr Nektar und haben höhere Fitness. Salbeiblüten, bei denen der Pollen genau am Hummelrücken haftet, werden besser bestäubt und haben mehr Nachkommen. Beide Selektionsdrücke wirken gegenseitig, die Merkmale werden aufeinander abgestimmt.

Homologie, Analogie und Konvergenz

Homologe Merkmale gehen auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück, auch wenn die Funktion verschieden ist. Beispiel: Vorderextremität von Vogel und Fledermaus (gleicher Grundbauplan der Knochen). Analoge Merkmale haben ähnliche Funktion, aber unterschiedlichen Ursprung. Sie entstehen durch Konvergenz, also ähnlichen Selektionsdruck bei nicht näher verwandten Arten. Beispiel: Flügel von Vogel und Insekt. Delfin (Säugetier) und Hai (Knorpelfisch) haben eine stromlinienförmige Körperform, weil schnelles Schwimmen im Wasser dieselben Vorteile bringt. Der Bauplan innen (Lungen, Skelett) zeigt: nicht nah verwandt.

Evolution und nicht naturwissenschaftliche Positionen

„Der Mensch stammt nicht vom Affen ab, weil es noch Affen gibt.“ Das ist ein Missverständnis. Die Synthetische Evolutionstheorie sagt: Menschen und heutige Affen haben gemeinsame Vorfahren. Eine Stammpopulation hat sich in Teilpopulationen aufgespalten (Artaufspaltung), die sich getrennt weiterentwickelten. Die Vorfahren sind ausgestorben oder haben sich verändert. Es gibt keine „Entwicklung“ vom heutigen Affen zum Menschen, sondern gemeinsame Äste eines Stammbaums, so wie Cousins gemeinsame Großeltern haben, ohne voneinander abzustammen.

Naturwissenschaftliche Erklärungen sind überprüfbar und falsifizierbar: Man kann Vorhersagen ableiten (z. B. Fossilfunde in bestimmten Schichten, DNA-Ähnlichkeit) und sie durch Daten widerlegen. Sie nutzen nur natürliche Ursachen. Schöpfungslehre beruht auf Glauben und kann nicht durch Beobachtung widerlegt werden. Sie ist daher keine naturwissenschaftliche Theorie. Das ist kein Urteil über ihren Wert für Religion oder Weltanschauung, sondern über die Methode. Aus erkenntnistheoretischer Sicht gehört sie deshalb in den Religions- oder Philosophieunterricht, nicht gleichberechtigt in den Biologieunterricht als konkurrierende Naturwissenschaft.

Zurück zum Anfang: Raben- und Nebelkrähe sind ein Beispiel für eine Hybridzone, in der die Isolation noch unvollständig ist. Sie stehen mitten im Prozess der Artbildung.

Auf einen Blick

• Art (populationsgenetisch): Fortpflanzungsgemeinschaft mit gemeinsamem Genpool; Schwächen bei Fossilien, Asexuellen, Hybriden.

• Artbildung: Trennung, unabhängige Entwicklung (Mutation, Selektion, Gendrift), reproduktive Isolation.

• Allopatrisch: geografische Trennung; sympatrisch: ökologische, zeitliche oder Verhaltensisolation im selben Gebiet.

• Hybridzone: Selektion gegen Hybride verstärkt die Isolation; adaptive Radiation: viele Arten, viele Nischen, sexuelle Selektion.

• Koevolution: wechselseitige Anpassung; Homologie: gleicher Ursprung; Analogie/Konvergenz: ähnliche Selektion.

• Abgrenzung: Naturwissenschaft ist überprüfbar und falsifizierbar.