Entstehung neuer Arten durch Rassenbildung und Isolation

Individuen einer Art unterscheiden sich voneinander durch ihre Gene und Merkmale. Diese Variation ist die Grundlage für evolutionäre Prozesse, einschließlich der Entstehung neuer Arten. Um Populationen innerhalb einer Art zu unterscheiden, zieht man das Kriterium von Gen-Frequenzen heran. Manche Gen-Varianten kommen in einer Population häufiger vor als in anderen, und einige Gene sind sogar typisch für eine bestimmte Population.

Unterscheidung von Arten, Rassen und Clines

In der Biologie werden verschiedene Kategorien zur Beschreibung von Populationsunterschieden verwendet:

Cline

Wenn es innerhalb einer großen Population zu allmählichen Verschiebungen von Genfrequenzen kommt, spricht man von einer Cline. Dies geschieht oft durch geografische Änderungen der Umweltbedingungen. Ein Beispiel hierfür sind Schafgarben, die im Gebirge vorkommen und andere Genfrequenzen aufweisen als jene, die im Flachland wachsen. Im Übergangsbereich zwischen Flachland und Gebirge sind alle Übergangsformen vorhanden.

Rasse

Man spricht von Rassen, wenn sich zwei Populationen durch ihre Genfrequenzen unterscheiden und die Kreuzung von Individuen dieser Populationen fruchtbare Nachkommen (Mischlinge) hervorbringt. Rassen sind also eng verwandte Gruppen innerhalb einer Art, die sich in bestimmten Merkmalen unterscheiden, aber noch miteinander fortpflanzungsfähig sind.

Art (Spezies)

Der Begriff Art (oder engl. species) bezeichnet eine Gruppe von Organismen, die sich in Gestalt, Verhalten und Physiologie voneinander unterscheiden und zwischen denen ein Genaustausch (Genfluss) stattfinden kann. Individuen einer Art sind grundsätzlich in der Lage, potenziell fruchtbare Nachkommen zu zeugen. Die Kategorisierung von Lebewesen in Arten ist ein menschliches Konstrukt, das darauf abzielt, Organismen zu ordnen. Im Laufe der Evolution gehen Arten oft fließend ineinander über, was eine klare Abgrenzung erschwert.

Man spricht von zwei verschiedenen Arten, wenn sich zwei Populationen durch ihre Genfrequenzen unterscheiden und Individuen dieser Populationen keine fruchtbaren Nachkommen miteinander produzieren können. Meist sind genetische Barrieren, wie beispielsweise eine unterschiedliche Chromosomenzahl, vorhanden, die eine Kreuzung verhindern.

Artbildung: Der Prozess der Entstehung neuer Arten

Damit sich aus Rassen oder Clines neue Arten bilden können, müssen genetische Fortpflanzungsbarrieren entstehen. Diese Barrieren verhindern, dass sich zwei Gruppen fortpflanzen können. Es gibt verschiedene Mechanismen, die zur Entstehung solcher Barrieren führen können:

Ursachen für genetische Fortpflanzungsbarrieren

• Geografische / klimatische Barrieren: Eine große Population kann durch Gebirgsbildung, Klimawandel oder die Entstehung eines Meeres getrennt werden. Die isolierten Teile entwickeln sich dann unabhängig voneinander auseinander.
• Gründereffekt: Eine kleine Teilpopulation wandert ab, beispielsweise auf eine Insel. Wenn die Gründerpopulation aufgrund ihrer geringen Größe zufällig andere Genfrequenzen aufweist als die Stammpopulation, kann sich im Laufe der Zeit eine neue Art entwickeln.
• Flaschenhalseffekt: Katastrophen können eine Population auf eine sehr kleine Anzahl reduzieren. Wenn die überlebenden Individuen zufällig andere Genfrequenzen als die ursprüngliche Population haben, kann dies zur Entstehung einer neuen Art führen.
• Verhaltensbarrieren: Unterschiede im Verhalten, wie beispielsweise abweichende Paarungsrituale, können zur Trennung von Teilpopulationen führen. Wenn sich die Weibchen einer Teilpopulation nur noch mit Männchen derselben Teilpopulation paaren, sind die Populationen auch ohne geografische Barriere isoliert.

Wenn eine Trennung von zwei Teilpopulationen lange genug besteht, können durch Mutationen genetische Fortpflanzungsbarrieren entstehen, was zur Bildung zweier neuer Arten führt.

Modelle der Artbildung

Die Artbildung, auch Speziation genannt, beschreibt die Aufspaltung einer Art in zwei oder mehrere Arten. Isolationsmechanismen schaffen genetische Barrieren zwischen Populationen einer Art. Durch eine divergente Entwicklung der isolierten Populationen kann es zur Artaufspaltung und somit zur Artentstehung kommen.

Grundlegende Begriffe zur Artentstehung

• Population: Eine Gruppe von Individuen derselben Art oder Rasse, die in einem bestimmten geografischen Gebiet leben, sich über Generationen hinweg kreuzen und genetisch verbunden sind.
• Teilpopulation: Gruppen von Individuen einer Population, die sich aufgrund ihrer Lebensweise in engerem reproduktivem Austausch befinden.
• Genpool: Das gesamte genetische Material einer sich sexuell fortpflanzenden Organismusgruppe.
• Genfluss: Der genetische Austausch zwischen zwei Populationen.
• Isolation: Situationen, in denen der Austausch von genetischem Material zwischen Populationen nicht möglich ist oder nicht stattfindet.

Konzept der Artbildung

Das grundlegende Konzept der Artbildung ist stets dasselbe: Isolationsmechanismen führen dazu, dass Teilpopulationen genetisch voneinander isoliert sind, was einen Genfluss zwischen ihnen unterbindet. Anschließend führen Evolutionsfaktoren dazu, dass sich die Genpools der Teilpopulationen unabhängig voneinander divergent entwickeln. Zufällige Mutationen, veränderte Umweltbedingungen und der daraus resultierende Selektionsdruck spielen hierbei eine maßgebliche Rolle. Wenn die Teilpopulationen lange genug genetisch voneinander isoliert sind, können ihre Genpools so stark voneinander abweichen, dass eine erfolgreiche Reproduktion zwischen ihren Individuen nicht mehr möglich ist. Dies führt zur reproduktiven Isolation und zur Aufspaltung der ursprünglichen Art in neue Arten.

Artbildungsmodelle

Je nachdem, auf welche Weise Teilpopulationen voneinander isoliert werden und sich daraufhin in verschiedene Arten aufspalten, wird zwischen verschiedenen Artbildungsprozessen unterschieden:

Allopatrische Artbildung

Die allopatrische Artbildung (Artentstehung durch geografische Isolation) tritt auf, wenn eine räumliche Trennung von Populationen (geografische Isolation) zur Entstehung neuer Arten führt. Dies kann durch das Gründerprinzip, geologische Ereignisse oder Klimaereignisse geschehen. Ein Beispiel hierfür sind die Darwinfinken auf den Galapagosinseln, die sich nach ihrer Ankunft auf verschiedenen Inseln und der Besetzung unterschiedlicher ökologischer Nischen in verschiedene Arten aufspalteten.

Sympatrische Artbildung

Die sympatrische Artbildung beschreibt die Entstehung neuer Arten innerhalb eines gemeinsamen Verbreitungsgebiets, ohne dass eine geografische Trennung vorliegt. Der Genfluss wird hier durch verschiedene reproduktive Isolationsmechanismen gestoppt. Dazu gehören ethologische Isolation (Verhaltensisolation), zeitliche Isolation, mechanische Isolation, Polyploidie und ökologische Isolation. Sympatrische Artbildung ist seltener als allopatrische und kommt vor allem bei Pflanzen vor.

Parapatrische Artbildung

Bei der parapatrischen Artbildung besiedeln Teilpopulationen aneinander grenzende Areale. Zwar ist ein Genfluss zwischen den Populationen möglich, abweichende Umweltbedingungen können jedoch zu einer divergenten Entwicklung führen, die letztlich zur Aufspaltung in zwei neue Arten mündet. Oftmals existiert zunächst eine Hybridzone, ein Überlappungsgebiet, in dem sich die Teilpopulationen paaren können.

Adaptive Radiation

Die adaptive Radiation beschreibt die Entstehung vieler neuer Arten aus einer einzigen Stammart heraus. Dies geschieht oft unter günstigen Bedingungen wie dem Fehlen natürlicher Raubtiere und geografischer Isolation. Jede neue Art spezialisiert sich auf eine bestimmte ökologische Nische, wodurch Konkurrenz vermieden wird.

Der Maiszünsler als Beispiel für Rassenbildung und potenzielle Artbildung

Der Maiszünsler (Ostrinia nubilalis) ist ein Beispiel dafür, wie sich Rassen innerhalb einer Art bilden können und wie dies potenziell zur Entstehung neuer Arten führen kann. Der Maiszünsler tritt in zwei Rassen auf, die als E und Z bezeichnet werden. Diese Rassen unterscheiden sich durch einen kleinen chemischen Unterschied in ihren weiblichen Sexuallockstoffen (Pheromonen).

Unterschiede in den Sexuallockstoffen

Der Hauptunterschied liegt im Molekül 11-Tetradecenylacetat, das eine ungesättigte Fettsäure enthält und in zwei Formen vorkommt: Z (cis) und E (trans). Ein Teil der weiblichen Motten gibt das Pheromon im Verhältnis E 98 : Z 2 ab, während der andere Teil es im Verhältnis 3 : 97 abgibt. Männchen sind in der Lage, diesen Unterschied zu riechen: E-Männchen reagieren nur auf E-Weibchen und Z-Männchen nur auf Z-Weibchen. Dies führt dazu, dass zwischen den beiden Rassen praktisch keine Paarung mehr stattfindet.

Genetische Ursachen der Rassenbildung

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Mutationen in einem Gen, das für ein Enzym namens Fettsäure-Reduktase kodiert, für die Aufspaltung in die beiden Rassen verantwortlich sind. Dieses Enzym wandelt eine ungesättigte Fettsäure in einen Alkohol um, der nach Acetylierung das Endprodukt 11-Tetradecenylacetat bildet. Solche Veränderungen können typischerweise die Entstehung neuer Arten begründen.

Bedeutung für den Pflanzenschutz

Die Forschung an Sexuallockstoffen wie denen des Maiszünslers ist auch für den Pflanzenschutz von großer Bedeutung. Durch die Methode der "Verwirrung", bei der künstliche Lockstoffe gleichmäßig im Feld versprüht werden, wird verhindert, dass Männchen und Weibchen zueinander finden. Dies reduziert die Anzahl pflanzenschädigender Nachkommen erheblich.

Obwohl die E- und Z-Rassen des Maiszünslers eine starke reproduktive Isolation aufweisen, ist die Paarung im Labor unter kontrollierten Bedingungen noch möglich, und es werden fruchtbare Nachkommen erzeugt. Dies unterstreicht, dass die vollständige Artbildung noch nicht abgeschlossen ist, aber die genetischen Grundlagen dafür bereits gelegt sind.

Wichtigkeit der genetischen Isolation für die Artbildung

Die Entstehung neuer Arten ist ein komplexer Prozess, der durch verschiedene Evolutionsfaktoren und Isolationsmechanismen vorangetrieben wird. Die aufgetretenen Unterschiede zwischen Rassen oder Teilpopulationen können, wenn sie lange genug bestehen und sich verstärken, zu einer vollständigen reproduktiven Isolation führen. Dies bedeutet, dass Individuen aus unterschiedlichen Populationen keine lebensfähigen oder fruchtbaren Nachkommen mehr miteinander zeugen können. An diesem Punkt hat sich die ursprüngliche Art in zwei oder mehr neue Arten aufgespalten.

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