Evolution 101: Natürliche Selektion

Der dieswöchige Evolution 101-Beitrag stammt von einer interdisziplinären Gruppe von BEACON-Mitgliedern, die alle in ihrer Forschung auf die Prinzipien der natürlichen Selektion zurückgreifen: MSU-Absolventin Nikki Cavalieri (Zoologie), MSU-Postdoc Prakarn Unachak (Evolutionary Computation) und NC A&T-Absolvent Patrick Wanko (Industrial & Systems Engineering).

Wenn Tiere eng an ihre Lebensräume angepasst sind, warum gibt es dann Überschneidungen?

Zum Beispiel scheinen Grauer Laubfrosch (Hyla versicolor) und Grüner Laubfrosch (Hyla cinerea) im Süden der Vereinigten Staaten ökologisch gleichwertig zu sein. Beide Arten ernähren sich von Insekten, leben vom Boden aus auf der Vegetation und legen ihre Eier in kleinen Tümpeln ab. Warum gibt es also nicht nur eine Art?

Der Graue Laubfrosch und der Grüne Laubfrosch scheinen zwar denselben Lebensraum zu bewohnen, doch bei näherer Betrachtung wird deutlich, dass sich ihre Verbreitungsgebiete zwar überschneiden, der Graue Laubfrosch aber weiter nördlich lebt als der Grüne Laubfrosch. Wir können auch sehen, dass Graue Laubfrösche bewaldete Gebiete mit temporären Tümpeln bevorzugen, während Grüne Laubfrösche offenere Feuchtgebiete mit Rohrkolben und anderer Wasservegetation vorziehen.

Auf einem Baum in einem Waldgebiet ist der Graue Laubfrosch viel schwieriger zu entdecken.

In einem Feuchtgebiet ist die Situation umgekehrt.

Was ist natürliche Auslese?

Natürliche Auslese ist der Prozess in der Natur, durch den Organismen, die besser an ihre Umgebung angepasst sind, dazu neigen, zu überleben und sich stärker zu vermehren als solche, die weniger gut an ihre Umgebung angepasst sind.

Zum Beispiel werden Laubfrösche manchmal von Schlangen und Vögeln gefressen. Graue Laubfrösche passen gut in dunkle Waldgebiete auf Baumrinde und Grüne Laubfrösche passen gut in die grüne Vegetation in Sümpfen und Mooren. Ein Grüner Laubfrosch auf der Rinde eines Baumes ist für ein Raubtier leichter zu finden als ein Grüner Laubfrosch auf einem grünen Blatt. Daher werden Laubfrösche, die sich in Lebensräume begeben, in denen sie nicht getarnt sind, mit größerer Wahrscheinlichkeit von Raubtieren gefressen. Da Laubfrösche, die gefressen wurden, nicht mehr leben, um weitere Laubfroschbabys zu bekommen, hat die natürliche Auslese Laubfrösche begünstigt, die in Lebensräumen leben, in denen sie besser getarnt sind.

Dies erklärt die Verbreitung von Grauen und Grünen Laubfröschen. Der bewaldete Lebensraum des Grauen Laubfroschs ist größer und erstreckt sich weiter nördlich, während sich der Lebensraum des Grünen Laubfroschs auf Sümpfe und Moore im Süden konzentriert. In dem Gebiet, in dem sich Grauer und Grüner Laubfrosch überschneiden, kommen beide Lebensräume vor, aber an unterschiedlichen Orten.

Die natürliche Auslese geht jedoch nicht immer zum Optimum. Sie geht nur zu dem, was funktioniert. Kaninchen zum Beispiel sind Pflanzenfresser, die eine Hinterdarmgärung haben (Gärung der Nahrung nach dem Passieren des Magens). Sie haben ein spezielles Organ, den Blinddarm, der ihnen bei der Verdauung ihrer Nahrung hilft. Im Gegensatz zu anderen Tieren befindet sich der Blinddarm beim Kaninchen zu weit unten im Darm, als dass das Kaninchen alle Nährstoffe aus seiner Nahrung aufnehmen könnte. Wenn die verdaute Nahrung aus dem Körper ausgeschieden wird, enthält sie daher noch eine große Menge an Nährstoffen. Um den Verlust dieser Nährstoffe auszugleichen, sind Kaninchen koprophag (sie fressen ihre eigenen Fäkalien). Sie haben zwei Arten von Kotpellets: 1) Pellets, die nur einmal verdaut wurden und die sie in einer speziellen Latrine aufbewahren, um sie später zu verzehren, und 2) solche, die zweimal verdaut wurden und nicht aufbewahrt werden. Kaninchen haben sich so entwickelt, dass sie trotz einer nicht optimalen Anordnung der Verdauungsorgane ein Maximum an Nährstoffen aus ihrer Nahrung ziehen können.

Allgemeiner ausgedrückt ist die natürliche Auslese ein Prozess, der dazu führt, dass einige Tiere und Pflanzen mit bestimmten Merkmalen besser an ihre natürliche Umgebung angepasst sind als andere. Diese Pflanzen und Tiere haben dann eine höhere Chance zu überleben, sich fortzupflanzen und ihre Population zu vergrößern als diejenigen, die weniger gut an ihre Umwelt angepasst sind. Die besser angepassten Pflanzen und Tiere sind daher in der Lage, ihre vorteilhaften Eigenschaften (die durch Gene kodiert sind) durch Vererbung an ihre Nachkommen weiterzugeben.

Die Gene werden jedoch nicht immer in genau der gleichen Form an die Nachkommen weitergegeben wie die Gene der Eltern. Die Veränderung einer Gensequenz kann durch zwei Mechanismen erfolgen, die als Crossover und Mutation bekannt sind.

Crossover? Mutation? Was ist das?

Wir können Gene nicht mit bloßem Auge sehen, aber wir können die Produkte von ihnen durch körperliche Merkmale beobachten, die als Phänotyp bekannt sind (Haartyp, Augen-/Hautfarbe, Geschlecht…). Gregor Mendel, der „Vater der modernen Genetik“, experimentierte zwischen 1856 und 1863 mit Erbsenpflanzen. Mendel zeigte, dass man durch die Befruchtung einer bestimmten Form einer grünen Erbsenpflanze mit dem Pollen einer anders geformten gelben Erbsenpflanze eine Vielzahl von grünen und gelben Erbsen in vielen Formen erhalten würde. Die daraus resultierenden Erbsen teilen ihre Farbe oder ihre Form mit den ursprünglichen Erbsen. Was Mendel tat, wird heute als Fremdbestäubung bezeichnet, und die Tatsache, dass die entstehenden Erbsen einige gemeinsame Merkmale aufweisen, ist auf Vererbung zurückzuführen.

Gene sind auf Chromosomen gruppiert. Damit es zu einer Kreuzung kommt, braucht es zwei Chromosomen, die Material austauschen. Eine Mutation hingegen ist eine Veränderung oder ein Fehler innerhalb eines Gens oder Chromosoms, der zu einer Veränderung der genetischen Funktionen und Ausprägungen führen kann. Wenn dieser Fehler auftritt, verändert er ein Gen, was den Phänotyp der Pflanze oder des Tieres verändern kann, was mehr sein kann als nur eine Veränderung des Aussehens. Mutationen können Deletionen, Duplikationen, Insertionen, Inversionen oder Translokationen von Abschnitten der genetischen Sequenz umfassen. Mutationen und Kreuzungen liefern das Rohmaterial für die natürliche Auslese, indem sie Variationen zwischen Organismen schaffen.

Wie erhalten wir durch natürliche Auslese so viele verschiedene Organismen?

Natürliche Auslese führt dazu, dass Organismen mit unterschiedlichen Merkmalen (verursacht durch Mutationen und Kreuzungen) in verschiedenen Umgebungen gedeihen. Neben dem grün-grauen Laubfrosch (unser obiges Beispiel, das eine Anpassung durch Tarnung zeigt) gibt es viele Möglichkeiten, wie die natürliche Auslese Organismen formt:

• Einige Bakterien können bei Temperaturen von 60°C und höher leben. Eine Art, Methanopyrus kandleri, kann sogar bei extremer Hitze von bis zu 120 °C gedeihen! Andere Bakterien passen sich auch an scheinbar unwirtliche Umgebungen an – sauer, radioaktiv oder unter dem tiefsten Teil des Meeres, wo es keine herkömmlichen Nahrungsquellen gibt. Egal wie lebensfeindlich eine Umgebung ist, es ist sehr wahrscheinlich, dass man eine Art von Mikroorganismen findet, die sich an das Leben dort angepasst haben.
• Pinguine sind auf den ersten Blick Vögel, die nicht fliegen können, was sie nicht gerade als Überlebenskandidaten erscheinen lässt. Statt zu fliegen, haben sich die Pinguine jedoch zu meisterhaften Schwimmern entwickelt, was ihnen bei der Nahrungssuche und der Flucht vor Raubtieren große Vorteile bringt. Außerdem gibt es in der Antarktis und an anderen Orten, an denen Pinguine leben, keine natürlichen Raubtiere an Land, so dass der Verlust der Fähigkeit zu fliegen kein Nachteil ist. Es gibt noch andere flugunfähige Vögel, und alle haben sich so angepasst, dass sie ihre Flugunfähigkeit auf andere Weise kompensieren. Entweder indem sie schnell laufen (Strauß), sich gut verstecken (unsichtbare Ralle) oder sich effektiv verteidigen können (Kasuar).

• Einige Pflanzen, wie die Venusfliegenfalle, sind Fleischfresser. Normalerweise beziehen Pflanzen Stickstoff, ein chemisches Element, das für das Überleben der Pflanze wichtig ist, über ihre Wurzeln aus dem Boden. Diese Pflanzen wachsen jedoch in der Regel in Gebieten, in denen der Boden nicht genügend Stickstoff enthält. Sie können sich nicht ausreichend mit Stickstoff versorgen, indem sie ihn einfach aus dem Boden aufnehmen. Um in einer solchen Umgebung zu gedeihen, fangen diese fleischfressenden Pflanzen Insekten in fallenartigen Blättern. Diese Insekten werden für die Pflanze zu einer alternativen Stickstoffquelle, die es ihr ermöglicht, in einem stickstoffarmen Lebensraum zu überleben.

Umgebungen verändern sich im Laufe der Zeit, und die natürliche Selektion wirkt auf die genetische Vielfalt der Arten ein. Individuen mit besseren Merkmalen für die neue Umgebung haben mehr Nachkommen. Nach vielen Generationen in dieser neuen Umgebung sieht die aktuelle Population vielleicht nicht mehr so aus wie ihre Vorfahren, weil die natürliche Auslese sie verändert hat – sie haben sich entwickelt – um in der neuen Umgebung zu überleben.