Die Evolution in Aktion: von genetischen Veränderungen zur Entstehung neuer Arten Understand article

Übersetzt von Veronika Ebert. Wie können eigentlich neue Arten, oder völlig neue Bauformen von Organismen entstehen? Die Schlüsselfaktoren dafür sind Zeit und Abgrenzung.

Die meisten Menschen denken beim Stichwort Evolution an Charles Darwins Konzept der natürlichen Selektion, demzufolge sich eine Organismenform über lange Zeit zu einer anderen gänzlich anderen Bauform weiterentwickelt – z.B. ein Fisch zu einem Landlebewesen, oder frühe Primaten zum Menschen. Für die Wissenschaft ist die Evolution jedoch etwas Subtileres: die Veränderung der Häufigkeit genetischer Varianten (individuell unterschiedlicher DNA-Sequenzen) in einer Population. Und dass – ebenso im Gegensatz zu gängigen Vorstellungen über die Evolution – solche Veränderungen nicht nur durch die natürliche Selektion, sondern durch verschiedenste Einflussfaktoren vorangetrieben werden: Mutationen, Wanderungsbewegungen und der pure Zufall sind Mechanismen evolutionärer Veränderungen.

Eine Frage wird außerhalb des Kreises der Wissenschaft besonders kontroversiell diskutiert: Welche Prozesse der Evolution können zur Entstehung einer neuen Art führen, und unterscheiden sich diese von Vorgängen innerhalb einer Art oder innerhalb einer Population? In diesem Artikel werden diese Fragen unter Einbeziehung von Erkenntnissen der Genetik und der Untersuchungen von Fossilien beleuchtet. Da die Evolution von mittlerweile ausgestorbenen Arten von der Genetik alleine nicht erklärt werden kann, stützt sich die Wissenschaft auf Fossilien als Momentaufnahme früherer Evolutionsprozesse. Zusätzlich kann die DNA noch lebender Verwandter bereits ausgestorbener Arten untersucht werden.

Ein vollständiges Fossil einer ausgestorbenen Art, des Dinosauriers Triceratops. Die Wissenschaft nützt für die Nachverfolgung der Evolution nicht nur Fossilienbelege, sondern auch DNA
Barks/Shutterstock.com

Warum entstehen neue Arten?

Originalzeichnung von vier auf den
Galapagosinseln beheimateten
Finkenarten, die von Charles Darwin
entdeckt worden sind. Um
unterschiedliche Nahrungsquellen auf
den verschiedenen Inseln bewältigen
zu können, veränderte sich die
Schnabelform.

John Gould/Wikimedia Commons
 

Für die Entstehung neuer Arten gibt es zumindest eine Voraussetzung: ein gewisses Ausmaß an Trennung zwischen Populationen (Gruppen von Individuen) einer bestehenden Art. Dabei kann es sich entweder um eine räumliche Trennung – z.B. eine geographische Barriere wie eine Bergkette, oder die Abgeschiedenheit einer Insel oder eine ökologische Barriere, wie unterschiedliche Nahrungs- oder Paarungspräferenzen handeln. Von Zeit zu Zeit kann es vorkommen, dass die Paarung von Lebewesen unterschiedlicher Subgruppen durch die DNA-Veränderungen in verschiedenen Populationen schlecht oder gar nicht mehr stattfinden kann, sie werden zu unterschiedlichen Arten.

Für dieses Phänomen gibt es zahlreiche Beispiele. Werden z.B. Gruppen von Fruchtfliegen in unterschiedlichen Behältnissen im gleichen Labor gehalten, verlieren sie manchmal die Fähigkeit, sich zu kreuzen und Nachkommen hervorzubringen. Das ultimative Beispiel für die darwinistische Artbildung (Aufspaltung einer Art in mehrere andere) ist in Darwins Buch „Die Reise der Beagle“ beschrieben: Die Finken der Galapagosinseln. In diesem Fall führten sowohl die Ernährungsform, als auch die Abgeschiedenheit der Inseln zur Entstehung neuer Arten, wodurch eine Vielzahl von Schnabelformen entstanden ist, die der Anpassung an individuelle Ernährungsformen entsprechen. Heute weiß man, dass sich diese anatomischen Unterschiede in den für die Schnabelform verantwortlichen Genen widerspiegeln. Aber welche genetischen Veränderungen haben letzten Endes zur Trennung von Arten, wie bei den Darwinfinken, geführt? Aktuelle Forschungsergebnisse konnten diese Frage klären und der Wissenschaft dadurch helfen, die genetischen Veränderungen während des Prozesses nachzuvollziehen.

Die Hybridzone

Während der letzten Eiszeit wurden viele Tierpopulationen geographisch getrennt, weil sie in verschiedene wärmere Regionen geflüchtet sind, z.B. in das heutige Gebiet von Spanien und der Balkanhalbinsel. Als die eiszeitlichen Gletscher vor etwa 10 000 Jahren geschmolzen sind, trafen Populationen von Arten, die für lange Zeit getrennt gewesen sind, beim Verlassen ihrer Zufluchtsorte und der Wiederbesiedlung der Kontinente, erneut aufeinander. Die jahrtausendlange Trennung führt in unterschiedlichen Populationen zu spezifischen genetischen Varianten, die die Vermehrung beim erneuten Kontakt erschwerte.

So entstanden durch die Trennung von Populationen europäischer Krähen (Corvus corone) während der Eiszeit zwei optisch klar unterscheidbare Typen: die am ganzen Körper schwarz gefärbte Aaskrähe (Corvus corone corone) im Westen, und die schwarze Nebelkrähe mit einem grauen Kopf (Corvus corone cornix) im Osten. In der heutigen Hybridzone – ein schmaler Landstrich, der von Skandinavien bis Italien reicht -kommen Krähen beider Typen vor, die sich auch untereinander kreuzen und Nachkommen hervorbringen können, letzteres allerdings weniger erfolgreich als innerhalb der eigenen Population. Wissenschaftler/innen haben durch die Analyse des Genoms der Krähen in der Hybridzone und durch Vergleich mit Tieren, die im Inneren des eigenen Gebiets leben, DNA-Sequenzen identifiziert, die die Populationsgrenzen nur schwer überwinden können.

Diese nur selten in der jeweils anderen Population (Aaskrähe bzw. Nebelkrähe) auffindbaren spezifischen Genomabschnitte, sind der Schlüssel für die Entstehung neuer Arten. In diesem Fall handelt es sich bei den Genen, die in der Hybridzone nur selten ausgetauscht werden, um welche, die für das Aussehen des Gefieders verantwortlich sind. Dies lässt den Schluss zu, dass Aaskrähen sich bevorzugt mit Tieren verpaaren, die genauso aussehen wie sie selbst, und nicht wie Nebelkrähen, und umgekehrt. Wenn der Prozess weiterläuft, ist es wahrscheinlich, dass mit der Zeit zwei getrennte Arten entstehen.

Aaskrähe , Corvus corone corone
Erni/Shutterstock.com

 

Nebelkrähe, Corvus corone cornix
Stefan Berndtsson/Flickr

Die molekularen und demographischen Vorgänge bei den Krähen (und den Darwinfinken), die von den Wissenschaftler/innen über viele Jahrzehnte untersucht worden sind, zeigen die universelle Natur evolutionärer Prozesse auf. Im Prinzip unterscheiden sich diese Vorgänge nicht von jenen bei Mikroorganismen, wie z.B. dem Ebolavirus, das sich zu einem infektiöserem Stamm weiter entwickelte (see Bryk, 2017). Der Hauptfaktor, der diese Beispiele unterscheidet, ist der Faktor Zeit: Die in wenigen Jahren aufgetretenen genetischen Veränderungen in Ebolaviren erforderten bei den Vögeln tausende Jahre, was ihre Generationszeiten widerspiegelt. Auf jeden Fall entstanden im Zuge der Anpassung an eine veränderte Umwelt, oder durch zufällige Veränderungen des Genoms Populationen, die sich mehr und mehr voneinander unterschieden. Bei den Krähen und Finken bewirkte das im Endeffekt eine vollständige reproduktive Isolation, und somit die Entstehung einer neuen Art.

Von den Dinosauriern zu den Vögeln und wieder zurück.

Aber wie verhält es sich mit der Entwicklung scheinbar völlig neuer Lebensformen –  wie der Entstehung der Wale aus landlebenden Vorgängerorganismen, oder der Vögel aus ihren Ahnen, den Dinosauriern? Wie kann man so markante Veränderungen des Lebens auf der Erde untersuchen, Veränderungen, die viel größer sind als das Auftreten einer einzelnen neuen Art?

Die größte Schwierigkeit, derartige Evolutionsprozesse nachzuvollziehen zu können, ist der extrem lange Zeitraum, wodurch viele Vorgänger bereits ausgestorben sind. Nur Fossilien überdauern Millionen von Jahren und können dadurch detaillierte Informationen über anatomische Veränderungen über so lange Zeiträume liefern. In den letzten Jahrzehnten sind im Nordosten von China tausende gut erhaltene Fossilien entdeckt worden, die die Entstehung der Vögel aus Dinosauriern im Detail nachzeichnen.  So wissen wir heute, dass Dinosaurier, lange bevor ein Vogel überhaupt in der Lage war zu fliegen, bereits Federn trugen. Daraus lässt sich ableiten, dass die ursprüngliche Funktion von Federn nicht das Fliegen war. Alternative Vorteile der Flügel dieser frühen federtragenden Reptilien können Isolierung, Tarnung und Sichtbarkeit gewesen sein (Foth et al., 2014; Zhou, 2014).

Illustration des gefiederten, aber fluguntauglichen Dinosauriers Aurornis, der vor etwa 160 Millionen Jahre gelebt hat. Der 2013 in China entdeckte Aurornis ist das älteste bekanntes Beispiel eine vogelartigen Dinosauriers.
Jaime Chirinos/Science Photo Library
 

Genauso sind fliegende Vögel nicht plötzlich entstanden und vollständig ausgebildet gewesen. Die Untersuchung der Anatomie des flügelgetriebenen Fluges – kleine Körpergröße, Flügel, Federn, ein verschmolzener Schwanz, Schlüsselbein und vieles andere mehr – hat gezeigt, dass sich der vollständige Bauplan der Vögel schrittweise über 100 Millionen Jahre entwickelt hat. Sobald dieser Körperbauplan komplettiert war, entwickelten sich eine riesengroße Zahl neuer Vogelformen, bis zu den derzeit ungefähr 10 000 verschiedene Arten (Brusatte, 2015).

Die Entstehung der Vögel aus den Dinosauriern war demnach ein kontinuierlicher Prozess ohne sprunghafte Veränderungen. Damit steht fest, dass ein Paläontologe bzw. eine Paläontologin bei einer Zeitreise über 100 Millionen Jahre keinen definierten Zeitpunkt erkennen könnte, an dem definitiv gesagt werden kann, dass das Leben der Dinosaurier geendet hat und das der  Vögel begann. Dank der Fossilienentdeckungen in China hat sich in den letzten Jahrzehnten unser Verständnis über die Entstehung der Vögel dahingehend verändert, dass die Vögel jetzt mit Sicherheit den Dinosauriern zugeordnet werden können, wodurch gesichert ist, dass das Huhn ein entfernter Cousin von Tyrannosaurus rex ist.  Nicht nur das, aus heutiger Sicht ist T. rex mit dem Huhn sogar näher verwandt als mit vielen anderen Dinosauriern, wie z.B. mit Triceratops.

faszinierende Vielfalt. Oben links: Papageientaucher (Fratercula arctica); oben rechts: Eisvogel (Alcedo atthis); unten links: Weißstorch (Ciconia ciconia); unten rechts: Alpendohle (Pyrrhocorax graculus)
Ronnie Robertson/Flickr (CC BY-SA 2.0), Shahin Olakara/Flickr, Barry Badcock/Flickr, Ed Dunens/Flickr

Ausschließlich Evolution

Derartige evolutionäre Veränderungen über die Ebene der Art werden oft als „Makroevolution“ bezeichnet, im Gegensatz zu den in den innerhalb einer Art feststellbaren genetischen Veränderungen, die auch als „Mikroevolution“ bezeichnet werden.

Unglücklicherweise lässt diese unterschiedliche Bezeichnung vermuten, dass es zwei unterschiedliche Evolutionsmechanismen gibt, einen auf „Makro-„ und einen anderen auf „Mikro“ebene. Dieser Unterschied wird von Evolutionsgegnern, die behaupten, dass es nur die „Mikroevolution“ wirkklich gibt.,oft ins Treffen geführt, Aber diese Unterscheidung ist falsch, weil es gar keine unterschiedlichen Mechanismen sind, die zur Veränderung des Anteils verschiedener genetischer Varianten in einer Population führen. Es gibt einfach nur die Evolution, die durch Mutation, Selektion und Zufallsprozesse vorangetrieben wird.

Widmung des Autors

Das ist der letzte der drei Artikel, die ich Dr. Dean Madden (1960–2017) widmen möchte. Er hat mich Ende des Jahres 2016 motiviert, Artikel über die Evolution für Science in School zu verfassen. Dean war mein Freund, Mentor, Kollege, Lehrer, Gestalter, Schriftsetzer, Barkeeper, Ciderhersteller, Chillizüchter, Skinhead Reaggie Fan, Rechtschreibpolizist, Apple Nutzer, größter Fan der Serie Doctor Who, ein rund herum brillianter verrückter Wissenschaftler und Freund in schlechten Zeiten. Good Bye und danke für alles.

Anmerkung des Herausgebers: Dr. Dean Madden war seit den Anfängen ein enthusiastischer Förderer von Science in School  und Mitglied des Herausgeberteams von 2005 bis zu seinem Tod 2017.

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References

Resources

Author(s)

Dr. Jarek Bryk ist ein Lektor für Molekularbiologie an der Universität Hudersfield im Norden Englands, Großbritannien. Er unterrichtet Genomik und Evolution und untersucht die Veränderung von Allelfrequenzen in natürlichen Populationen von Waldmäusen und Wieseln. Näheres zu ihm online auf at http://bryklab.net oder auf Twitter unter @jarekbryk.


Review

Der Artikel ist interessant und erklärt die Evolution auf einfache Art und Weise, ohne schwierige und verwirrende Details. Jedes angesprochene Phänomen und jede Frage wird mit gut verständlichen Beispielen belegt, und regt den Leser/die Leserin dadurch an, mehr über die dynamischen Prozesse der Evolution zu lesen. Durch diesen Artikel werden die Schüler/innen angeregt, die Evolution als wichtiges Prinzip im großen Feld der Biologie zu begreifen, und zu verstehen, dass die Evolution durch über kürzere oder längere Zeitspannen wirkende spezifische Mechanismen, vorangetrieben wird, in Abhängigkeit von der Generationszeit verschiedener Organismen.

Zusammenfassende Fragen, die den Schüler/innen gestellt werden können:

  • Wie entstehen neue Arten?
  • Welchen Zusammenhang gibt es zwischen der Evolution der Dinosaurier und der Vögel?
  • Verläuft der Prozesss der Evolution langsam?
  • Was wird unter einer Hybridzone verstanden?
  • Gibt es einen Zusammenhang zwischen Evolution und Ernährung?
  • Was wird unter der Anpassung an die Umwelt verstanden?

Alina Giantsiou-Kyriakou, Biologielehrerin, Lyvadia High School, Zypern




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