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Umwelt+Natur

Artbildung trotz Genaustausch

Zuckmücke
Zuckmücke der Art Chironomus riparius (Bild: lkpro / shutterstock.com)

Biologisches Konzept auf dem Prüfstand: Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass sich zwei Populationen vollständig isolieren müssen, damit sich daraus neue Arten bilden. Doch eine aktuelle Genomanalyse von zwei Zuckmückenarten legt nahe, dass eine genetische Isolation nicht zwangsläufig zur Artbildung nötig ist. Der Studie zufolge paaren sich die Mückenarten weiterhin und bilden vielmehr stabile Zwischenstufen, bei denen sich das Genom zu etwa 70 Prozent ähnelt.

Über den Prozess der Artbildung diskutieren Biologen schon seit Jahrhunderten: Die bisher vorherrschende Theorie legt nahe, dass zwei Populationen durch eine räumliche Trennung in zwei neue Arten aufspalten können. Aber auch genetische Faktoren oder Unterschiede im Fortpflanzungsverhalten können zu einer Artbildung führen. Als Voraussetzung gilt jedoch meist, dass zwischen den Populationen kein Genaustausch mehr stattfindet.

Zuckmücken als Fallbeispiel

Neue Studien an Stabheuschrecken und seltenen Vogelarten haben jedoch gezeigt, dass unter bestimmten Umständen neue Artbildungen auch trotz eines fortwährenden Austauschs von Erbinformationen möglich sind. Wie weit verbreitet das Phänomen dieser Artbildung ist und in welchem Zeitraum sich eine neue Art trotz Genfluss entwickeln kann, ist bisher unklar. Diesen Fragen ist nun ein Forscherteam um Dennis Schreiber vom Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum in Frankfurt auf den Grund gegangen.

Dafür untersuchten die Forscher die Genome von 36 Individuen zweier Zuckmückenarten – Chironomus riparius und Chironomus piger – von fünf Standorten in ganz Europa. Beide Arten kommen in der gesamten nördlichen Hemisphäre vor und haben ähnliche Verbreitungsgebiete, da sie vorwiegend in Süßwasser vorkommen. Dennoch bevorzugen sie ökologisch verschiedene Lebensräume, denn Chironomus piger ist beispielsweise dafür bekannt, höhere Nitrit- und Salzkonzentrationen zu vertragen und überwiegt deshalb in der Regel in stehenden Gewässern in der Nähe von Agrarlandschaften, während die Schwesterart in langsam fließenden Bächen vorherrscht. Die Individuen dieser Mückenarten sind nachweislich in der Lage, sich miteinander zu paaren.

70 Prozent des Genoms im Austausch

Bei der Genomanalyse zeigte sich: Zwischen den beiden Mückenarten findet tatsächlich noch immer ein Genfluss statt. „Wir konnten zeigen, dass Arten ihre Unterschiedlichkeit gewinnen und bewahren können, obwohl sie den größten Teil ihres Genoms miteinander teilen“, sagt Schreiber. Die Individuen tauschen demnach gut 70 Prozent ihres Genoms regelmäßig aus – in diesem Anteil liegt etwa die Hälfte aller Gene. Die andere Hälfte der Gene liegt laut der Forscher auf den jeweils nur bei einer Art vorkommenden knapp 30 Prozent ihres Genoms verstreut. „Die Artenidentität scheint daher auf der Hälfte der Gene zu beruhen“, erklärt der Forscher.

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Die artspezifischen Gene umfassen demnach vergleichsweise kleine Bereiche des Erbguts, die die Zuckmückenarten exklusiv für sich beanspruchen: „Dies betrifft zum einen Gene, die mit den bekannten ökologischen Unterschieden zwischen den Arten zusammenhängen“, erläutert Schreiber. Sie machen Chironomus piger etwa unempfindlicher gegen das Nitrit aus der Gülle. „Genauso weisen jedoch auch solche Gene Unterschiede auf, die auf molekularer Ebene eng mit anderen Genen zusammenarbeiten, beispielsweise in der Atmungskette, der Proteinproduktion oder bei Schleusen durch Membranen“, ergänzt Schreibers Kollege Markus Pfenninger. „An diesen Stellen würden Unverträglichkeiten zwischen den verschiedenen Arten offenbar zu sehr stören, so dass sie hier isoliert bleiben.“

Genfluss zwischen den Arten schon seit Jahrhunderten

Die Studie beweist damit, dass ein Genfluss zwischen zwei Populationen möglich ist und trotzdem zwei Arten daraus entstehen. Aber könnte dieser Aufspaltungsprozess zumindest in Zukunft zu einer vollständigen genomischen Isolation der beiden Spezies führen? Um das herauszufinden, ordneten die Forscher anhand der Genome die Evolution der beiden Arten zeitlich ein: Die Zuckmückenarten bildeten sich demnach vermutlich vor mehr als drei Millionen von Generationen – das entspricht nur ungefähr 700.000 Jahren. Doch der Aufspaltungsprozess endete offenbar wieder, noch bevor das gesamte Genom gegenseitig isoliert wurde. Seitdem kommt es regelmäßig zur Hybridisierung, also zu der Paarung und zum Genaustausch zwischen den Individuen beider Arten – und bisher zu keiner reproduktiven Isolation.

„Diese neuen Erkenntnisse verändern unser Konzept von einer biologischen Art“, fasst Pfenninger zusammen. „Offensichtlich ist ein komplett eigenständiges Genom keine Voraussetzung, sondern es gibt stabile Zwischenstufen, bei denen sich verwandte, gut charakterisierte Arten trotz großer genomischer Überschneidungen ihre Eigenständigkeit erhalten. Daran wollen wir nun weiter forschen“, so der Forscher abschließend.

Quelle: Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen, Fachartikel: Evolution Letters, doi: 10.1002/evl3.204

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