Ein Wimpertierchen unter dem Mikroskop.

Evo­lution geschieht schneller als ge­dacht

Zwei Forscher der Universität Innsbruck und der Universität Helsinki konnten anhand eines mathema­tischen Modells feststellen, dass sich in Räuber-Beute-Dynamiken beide Seiten schnell durch Evolution anpassen.

Dass Evolution schnell genug abläuft, um in Populationsdynamiken eine wichtige Rolle zu spielen, ist eine relativ neue Erkenntnis. Einige neu erschienene Forschungsarbeiten zeigen, wie sich Beuteorganismen evolutiv anpassen, um dem Druck durch Räuber zu entgehen. Doch wie wichtig ist dieser Vorgang tatsächlich? Neue Untersuchungen am Forschungsinstitut für Limnologie in Mondsee der Universität Innsbruck belegen, dass sich in Räuber-Beute-Dynamiken nicht nur die Beute durch Evolution anpasst, sondern auch die Räuber. Die Studie wurde im Journal Ecology and Evolution veröffentlicht und durch die Nachwuchsförderung der Universität Innsbruck finanziert.

Das klassische Räuber-Beute-Modell

Die Individuen einer selben Art, die in einem relativ abgeschlossenen Gebiet gemeinsam leben und sich fortpflanzen, bilden eine Population. Die Größe dieser Population kann sanften oder extremen Schwankungen unterliegen, bedingt durch verschiedene Umwelteinflüsse. Diese Ab- und Zunahme der Individuen im Laufe der Zeit wird als Populationsdynamik bezeichnet.

Populationsdynamiken werden oft mit rein ökologischen Prozessen erklärt, wie am Beispiel von Räuber-Beute-Beziehungen zu sehen ist. Hier wird die Populationsdynamik vorrangig von Wachstumsraten der Beute und Fraßraten der Räuber bestimmt.

Klassische Räuber-Beute-Modelle nehmen an, dass sich Beuteorganismen unbeeinflusst entwickeln, bis ein Räuber hinzukommt und die Beute dezimiert. Die Räuber finden reichlich Nahrung und werden ebenfalls häufiger. Erhöhter Raubdruck reduziert Beutedichten, woraufhin Räuberdichten einbrechen, bis sich die Beute wieder erholt. Wenn die Beute vom Räuber dezimiert ist, kommt es also zu einem allgemeinen Populationseinbruch. Dieses Modell bildet nur die ökologische Dynamik ab. Räuber-Beute-Beziehungen sind aber auch ein wichtiger Grund für evolutive Anpassung.

Abwehr durch Evolution

Dass solche theoretischen Vorhersagen nicht wortwörtlich auf die Natur anwendbar sind, stellten finnische Wissenschaftler*innen bereits 2018 fest. Sie untersuchten mikroskopisch kleine Wimpertierchen (Ciliaten) als Räuber und Bakterien als Beute. Ab einem bestimmten Zeitpunkt nahm die Zahl der Bakterien nicht mehr ab. Es schien einen zusätzlichen Faktor zu geben, der die Dynamik beeinflusste. Tatsächlich hatten die Bakterien eine evolutive Veränderung durchgemacht und einen effizienten Fraßschutz ausgebildet, vermutlich durch das Zusammenklumpen ihrer Zellen, wodurch sie für die Wimpertierchen als Beute zu groß wurden.

Gemeinsame Weiterentwicklung

Dieses Experiment war die Basis einer theoretischen Studie von Thomas Scheuerl vom Forschungsinstitut für Limnologie der Universität Innsbruck in Mondsee und Veijo Kaitala von der Universität Helsinki. Sie stellten fest, dass bei einem rein ökologischen Vorgang die Räuberdichten viel geringer sein sollten und sogar ein Aussterben der Wimpertierchen folgen müsste. Sowohl die Anzahl der Räuber als auch jene der Beute pendelte sich aber im Experiment in einem Gleichgewicht ein. Ein rein ökologisches Modell konnte diese Beobachtungen nicht reproduzieren. Das Ergebnis wurde mathematisch erst bestätigt, wenn Co-Evolution von Räubern und Beute als Faktor aufgenommen wurde. „Wir folgern daraus, dass sich auch Räuber abhängig von der Beute weiterentwickeln, also co-evolvieren, mussten. Nur so ist das Einpendeln in einen Gleichgewichtszustand erklärbar“, sagt Thomas Scheuerl.

Das so erstellte theoretische Modell erlaubte es nun zu testen, wie stabil der Prozess der Co-Evolution sein musste, wenn man verschiedenste weitere Annahmen zugrunde legte. Das Ergebnis: Co-Evolution musste unter fast allen angewandten Bedingungen stattfinden.

Schwankungen im Signal

Weiterhin beobachteten Scheuerl und Kaitala, dass der Gleichgewichtszustand in den Populationsdynamiken des originalen Experiments nicht als konstantes Signal erschien, sondern auf und ab schwankte, was auch in den nächsten Generationen fortgesetzt wurde. Die beiden Wissenschaftler vermuteten zunächst Räuber-Beute-Zyklen hinter den Schwankungen, die im theoretischen Modell nicht sichtbar waren. Erst nach Einfügen einer Fehlerrate konnten diese simuliert werden. Die Forscher erkannten, dass es sich um zufällige Schwingungen handelte, die auftraten, wenn das System aus dem Gleichgewicht gestoßen wurde. Wichtig war dabei der Zeitpunkt, an dem das Experiment gestartet wurde, das heißt, in welcher Position sich Räuber- und Beutekurve befanden. Wie die Schwankungen genau erklärt werden können, soll Inhalt künftiger Forschung sein.

Publikation: Scheuerl T., Kaitala V. (2021). The effect of dilution on eco-evolutionary dynamics of experimental microbial communities, Ecology and Evolution, doi: 10.1002/2ce3.8065

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