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Sieger im evolutionären Zweikampf

06.07.2005 - (idw) Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik postulieren neues Maß für Darwin's "Fitness"

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik in Berlin und der Universität Göttingen postulieren eine neue Sichtweise für die Überlebenschancen von Arten. Mit Computersimulationen und empirischen Studien bestätigen sie die Theorie, dass die Durchsetzungsfähigkeit einer Art vor allem von der Geschwindigkeit abhängt, mit der eine Population nach einer Störung wieder zu ihrer ursprünglichen Größe zurückkehrt. Die Forscher hoffen, mit Hilfe dieses Modells genaue Vorhersagen für die quantitative Entwicklung von Arten, von Bakterienstämmen bis hin zu großen Säugetieren, machen zu können (Proc. R. Soc. B (2005) 272:741-749; Proc. R. Soc. B, doi: 10.1098/rspb. 2004.3032, published online). Bioinvasion gilt als eine der größten Gefahren für die Artenvielfalt der Erde. Der Begriff bezeichnet die Ansiedlung einer Art in einem Ökosystem, in dem sie ursprünglich nicht heimisch war. Einmal angekommen, kann eine neue Art die "Alteingesessenen" verdrängen und sogar aussterben lassen. Nach bisheriger Auffassung entscheidet vor allem die Wachstumsrate einer Population, also Geschwindigkeit und Quantität, mit der sich die neue Art verbreitet, über ihre Fähigkeit, sich gegenüber ansässigen Arten durchzusetzen. Dagegen konnten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik in Berlin und der Universität Göttingen mit Hilfe von Computersimulationen und empirischen Studien jetzt die Theorie bestätigen, dass der Ausgang eines solchen Konkurrenzkampfes vor allem von der Geschwindigkeit abhängt, mit der eine Population nach einer Störung wieder zu ihrer ursprünglichen Größe zurückkehrt. Dabei zeigte sich, dass sich häufig auch Arten mit kleinerer Wachstumsrate gegenüber einem ursprünglichen Wildtyp durchsetzen können.

Die Geschwindigkeit, mit der eine Population nach einer Störung wieder zu ihrer Ausgangsgröße zurückkehrt, wird als "Robustheit" oder quantitativ als "evolutionäre Entropie" bezeichnet. Diese kann mit Hilfe weiterer Faktoren wie dem Alter der Geschlechtsreife, der Wurfgröße und der reproduktiven Zeitspanne berechnet werden. Die evolutionäre Entropie ist ein Maß dafür, wie die Produktion von Nachkommen auf die zur Verfügung stehende Lebenszeit verteilt ist. Die Wissenschaftler um Lloyd Demetrius am MPI für molekulare Genetik fanden heraus, dass die evolutionäre Entropie ein geeignetes Maß für die Fitness im Sinne Darwins bzw. die Überlebensfähigkeit einer Art im Laufe der Evolution ist. Bäume sind beispielsweise eine Spezies mit hohem Entropiegehalt. Die Produktion ihrer Samen erfolgt über einen langen, Jahrzehnte bis Jahrhunderte umfassenden Zeitraum. Weitere Charakteristika sind späte Geschlechtsreife und ein geringer Reproduktionsaufwand pro Reproduktionsereignis, das bedeutet, ihre Blüten und Früchte machen nur einen kleinen Teil der gesamten Pflanze aus. Im Gegensatz dazu haben Gräser und Kräuter nur eine geringe Entropie. Ihre Samenproduktion ist relativ zu ihrer Lebenszeit auf einen kurzen Zeitraum beschränkt, sie sind früh reproduktionsfähig und ihre Früchte bilden einen erheblichen Anteil der Biomasse der gesamten Pflanze.

Das von Demetrius und seinen Kollegen entwickelte Konzept basiert jedoch nicht nur auf der Geschwindigkeit, mit der eine Population nach einer Störung ihre ursprünglichen Größe wiedererlangt. Die Forscher unterscheiden zusätzlich zwischen den Arten, die im Lauf ihrer Entwicklung eine relativ konstante Populationsgröße beibehalten (Equilibrium-Arten) und denjenigen, deren Populationsgröße stark schwankt (Opportunistische Arten). Equilibrium-Arten sind beispielsweise die großen Säugetiere. Sie sind umso erfolgreicher im Überleben, desto robuster sie sind, d.h. desto besser sie in der Lage sind, über z.B. genetische Anpassungen auf veränderte Umweltbedingungen zu reagieren und so ihre Populationsgröße konstant zu halten. Getreu der Evolutionstheorie sollte daher im Laufe der Evolution auch die Robustheit bzw. evolutionäre Entropie der Arten selber immer mehr zunehmen. Opportunistische Arten wie Kleinsäuger oder Insekten verfolgen eine gegensätzliche Strategie zum Überleben. Sie passen sich nicht langsam an veränderte Umweltbedingungen an, sondern perfektionieren vielmehr ihre Fähigkeit, den idealen Zeitpunkt für ihre Vermehrung zu finden und optimal auszunutzen. Das Ausharren vieler Insekten in nicht vermehrungsfähigen Larven- oder Puppenstadien ist ein Beispiel für die Wirksamkeit dieser Strategie. Bei ihnen setzen sich im Laufe der Evolution die weniger robusten Mutanten durch, ihre evolutionäre Entropie nimmt daher immer mehr ab.

Die neue Sichtweise hat nach Ansicht der Wissenschaftler weit reichende Konsequenzen für quantitative Beschreibungen der Evolution von einfachen Organismen wie Bakterien bis hin zu Vögeln und Säugetieren. So ist ein ständig wiederkehrendes Problem von großer medizinischer Tragweite das Konkurrenzverhalten von antibiotikaresistenten und antibiotikasensitiven Bakterienstämmen. Künftige Studien zur Untersuchung der Durchsetzungsfähigkeit antibiotikaresistenter Stämme sollten daher nach Meinung der Berliner Forscher auf einer quantitativen Beschreibung der demografischen Entropie der beteiligten Stämme basieren, um beispielsweise den Einsatz von Antibiotika im medizinischen Bereich zu optimieren.

Referenzen:

[1] Kowald, A.; Demetrius, L. Directionality theory: a computational study of an entropic principle in evolutionary processes. Proceedings of the Royal Society B (2005) 272:741-749
[2] Ziehe, M.; Demetrius, L. Directionality theory: an empirical study of an entropic principle in life-history evolution. Proceedings of the Royal Society B (2005), doi:10.1098/rspb.2004.3032 (published online)

Kontakt:
Dr. Patricia Béziat
Max-Planck-Institut für molekulare Genetik
Ihnestrasse 63-73
14195 Berlin
Tel.: 030-8413-17165
Fax: 030-8413-1671
Email: beziat@molgen.mpg.de

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