5. Mai 2015

Wenn die Expansion an ihrer Grenzen stößt

Wissenschafter_innen des IST Austria erforschen, wie Populationsgröße und Gendrift die Grenzen der Ausbreitung einer Spezies beeinflussen • Jitka Polechová und Nick Barton erklären in der dieswöchigen Ausgabe von PNAS, wie scharfe Ausbreitungsgrenzen in natürlichen Populationen entstehen

An artist’s impression of the development of species in time and space / © Tereza Nekovarova
An artist’s impression of the development of species in time and space. © Tereza Nekovarova

Wieso passt sich eine Spezies nicht einer immer weiteren Bandbreite an Bedingungen an, und vergrößert so ihre geografische Ausbreitung? In ihrer Publikation, die am 4. Mai in PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) erscheint, suchen Postdoc Jitka Polechová und Professor Nick Barton vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) nach einer Antwort auf diese Frage, die am Schnittpunkt zwischen Ökologie und Evolution liegt. Die von Polechová und Barton präsentierte Theorie legt nahe, dass jede natürliche Population eine scharfe Ausbreitungsgrenze hervorbringen kann.

J.B.S. Haldane, einer der Begründer der Populationsgenetik, untersuchte diese Frage in den 1950er Jahren. Er schlug vor, dass Allele (also eine spezielle Ausprägung eines Gens an einem bestimmten Ort auf dem Chromosom) in einem Habitat, in dem die Umwelt leicht variiert, durch die Migration von individuellen Allele, die im Zentrum des Habitats von Vorteil sind, an den Rand des Habitats gelangen. Diese Allele aus dem Zentrum ersetzen jene Allele, die am Rand vorteilhaft wären, und verhindern so die Anpassung der Spezies an die Umwelt am Rand des Habitats. Wenn die Spezies nicht mehr das etwas andere Nachbargebiet bewohnen kann, entsteht eine scharfe Grenze im Ausbreitungsgebiet der Spezies.

Jitka Polechová und Nick Barton untersuchen dieses Problem bei Populationen, in denen die genetische Varianz evolvieren kann. Indem sie mathematische Analysen mit Simulationen kombinieren, erklären Polechová und Barton, wie in begrenzten natürlichen Populationen scharfe Ausbreitungsgrenzen selbst dann entstehen, wenn die Umwelt stufenlos variiert. Die ForscherInnen zeigen, dass zufällige Schwankungen in den Genfrequenzen, die in jeder begrenzten Population entstehen, scharfe Ausbreitungsgrenzen erzeugen, indem sie die Genvarianz unter das Niveau reduzieren, das benötigt wäre, damit sich die Spezies an räumlich unterschiedliche Bedingungen anpassen kann.

Zwei Parameter beschreiben die Schwelle, bei der die Anpassung scheitert. Der erste Parameter stellt dar, wie sich die Bedingungen im angestammten Habitat verändern und beschreibt so den Fitnessverlust aufgrund der Ausbreitung der Spezies in verschiedenen Habitaten. Der zweite Parameter beschreibt, wie effektiv die Selektion im Vergleich zu zufälligen Schwankungen ist. Selbst wenn sich die Umwelt nicht abrupt verändert, sagt die Theorie voraus, dass sich scharfe Ausbreitungsgrenzen bilden können.

Die neu vorgestellte Theorie ist unter anderem für den Naturschutz relevant. Sie zeigt, dass eine Spezies in einem großen Teil ihres vormaligen Habitats aussterben kann, lange bevor demographische Zufälligkeiten wirksam werden, weil zufällige Vorgänge die Anpassung zermürben. Eine graduelle Verschlechterung der Umweltbedingungen kann dazu führen, dass sich die Ausbreitung einer Spezies plötzlich zersplittert, weil sich eine einzelne Spezies nicht mehr an die große Bandbreite an Bedingungen, denen sie ausgesetzt ist, anpassen kann.



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