Biologie · Verstehen und üben

Isolation und Artbildung

Wie können aus einer Ausgangspopulation neue Arten entstehen? Verfolge mögliche Entwicklungen, unterscheide räumliche Trennung von Fortpflanzungsbarrieren und prüfe konkrete Fälle.

Das kannst du danach

Geografische und reproduktive Isolation unterscheidenMögliche Wege der Artbildung erklärenFortpflanzungsbarrieren richtig einordnen

1 · Was ist eine Art – und warum ist die Abgrenzung manchmal schwierig?

Viele Organismen lassen sich zu Arten zusammenfassen. Für sexuell fortpflanzende Organismen ist der biologische Artbegriff hilfreich: Zur selben Art gehören Populationen, deren Individuen sich unter natürlichen Bedingungen tatsächlich oder grundsätzlich miteinander fortpflanzen können und die gegenüber anderen solchen Gruppen reproduktiv abgegrenzt sind.
Dabei geht es um fortdauernden genetischen Austausch und die Bildung lebensfähiger, fortpflanzungsfähiger Nachkommen. Nicht jedes einzelne Individuum muss sich fortpflanzen können. Alter oder Unfruchtbarkeit eines einzelnen Tiers machen es nicht zu einer anderen Art.

Aussehen allein reicht nicht

Individuen derselben Art können sehr verschieden aussehen. Umgekehrt können sich Arten äußerlich stark ähneln. Äußere Unterschiede liefern Hinweise, ersetzen aber nicht die Untersuchung weiterer Merkmale.

Der biologische Artbegriff hat Grenzen

Bei Fossilien lässt sich Fortpflanzung nicht direkt beobachten; bei ungeschlechtlich vermehrten Organismen ist dieses Kriterium nicht passend. Deshalb werden auch Körpermerkmale, genetische Daten, ökologische Eigenschaften und Abstammungslinien herangezogen.

Artgrenzen müssen nicht absolut undurchlässig sein

Verschiedene Arten können sich gelegentlich kreuzen. Solche Kreuzungsnachkommen heißen Hybride. Manche sind unfruchtbar, andere können genetischen Austausch ermöglichen. Ein einzelner Hybrid entscheidet deshalb nicht allein über die Einordnung ganzer Populationen.

2 · Isolation: Was wird voneinander getrennt?

Isolation schränkt den Austausch zwischen Populationen ein. Eine räumliche Barriere kann verhindern, dass Individuen einander erreichen. Reproduktive Isolation beruht dagegen auf Unterschieden, die Fortpflanzung oder erfolgreichen genetischen Austausch zwischen Gruppen begrenzen.
Beide Formen können zusammenhängen: Eine geografische Trennung kann eine getrennte Entwicklung ermöglichen. Währenddessen können Fortpflanzungsbarrieren entstehen, die später auch bei erneutem Kontakt wirksam bleiben.

Geografische Trennung

Zum Beispiel trennt eine Wasserfläche, ein Gebirge oder eine große Entfernung geeignete Lebensräume. Die Wirkung hängt von der Art und ihrer Ausbreitungsfähigkeit ab. Eine Barriere für einen Käfer muss keine für einen Vogel sein.

Reproduktive Abgrenzung

Unterschiedliche Paarungszeiten, Partnererkennung oder Probleme bei Befruchtung und Nachkommen können den Austausch begrenzen. Ob solche Unterschiede bestehen, muss untersucht werden – räumliche Entfernung allein beantwortet die Frage nicht.

3 · Artbildungs-Labor: mögliche Wege nach einer Trennung

Das Modell zeigt einen möglichen Ablauf der allopatrischen Artbildung: Populationen werden geografisch getrennt und entwickeln sich unter eingeschränktem Genfluss auseinander. Nicht jede Trennung führt zur Artbildung. Schau deshalb im letzten Schritt beide Möglichkeiten beim Wiederkontakt an.

Entwicklungsschritt wählen

↔ Schaubild bei Bedarf seitlich verschieben.

Schematisches Beispiel mit gedachten Käferpopulationen. Farben markieren keine festgelegten Arten; die Abstände zwischen den Bildern sind keine Zeitangaben.

Eine Ausgangspopulation

Individuen einer Art können genetische Varianten austauschen. Innerhalb der Population sind bereits erbliche Unterschiede möglich. Es muss nicht erst eine Barriere entstehen, damit genetische Variation vorhanden ist.

Keine automatische Stoppuhr bis zur neuen Art

Es gibt keine allgemeine Zahl von Generationen oder einen universellen Prozentsatz an DNA-Unterschieden, ab dem zwei Populationen plötzlich neue Arten sind. Entscheidend sind die Entwicklung der Linien, ihre Eigenschaften und die Kriterien des verwendeten Artkonzepts.

4 · Präzygotisch oder postzygotisch?

Eine Zygote ist die Zelle, die durch die Verschmelzung der Keimzellen bei der Befruchtung entsteht. Fortpflanzungsbarrieren werden danach unterschieden, ob sie vor oder nach ihrer Entstehung wirken.

↔ Schaubild bei Bedarf seitlich verschieben.

Die zeitliche Einordnung fragt nach dem Entstehen einer Zygote. Mehrere Mechanismen können gemeinsam den genetischen Austausch begrenzen.

Präzygotisch: vor der Zygote

Beispiele sind unterschiedliche Fortpflanzungszeiten, verschiedene Balzsignale, die Nutzung verschiedener Fortpflanzungsorte, mechanische Hindernisse oder eine fehlende Verträglichkeit der Gameten. Die gemeinsame Zygote entsteht dabei nicht.

Postzygotisch: nach der Zygote

Eine Zygote entsteht, aber die Nachkommen sind zum Beispiel eingeschränkt lebensfähig oder unfruchtbar. Auch Probleme in späteren Hybridgenerationen können den genetischen Austausch begrenzen.

„Präzygotisch“ bedeutet nicht nur „vor der Paarung“: Auch eine Barriere bei der Befruchtung gehört dazu. „Postzygotisch“ bedeutet nicht zwingend „nach der Geburt“: Ein Entwicklungsabbruch im Embryonalstadium liegt bereits nach der Entstehung der Zygote.

5 · Fall-Labor: Wo liegt die Fortpflanzungsbarriere?

Lies die Beschreibung und prüfe zuerst: Ist bereits eine Zygote entstanden? Ordne erst danach ein. Wenn wichtige Beobachtungen fehlen, ist eine sichere Zuordnung nicht möglich.

Fall auswählen

Verschiedene Blütezeiten

Zwei Pflanzengruppen wachsen am gleichen Ort. Eine blüht nur im Frühjahr, die andere nur im Spätsommer. Ihre Blütezeiten überlappen nicht.

Wähle eine Einordnung und begründe sie zunächst selbst.

6 · Artbildung ohne geografische Trennung

Bei sympatrischer Artbildung entstehen neue Arten innerhalb desselben geografischen Gebiets. Es gibt zu Beginn keine vollständige räumliche Trennung der beteiligten Populationen. Für ein dauerhaftes Auseinanderentwickeln muss der genetische Austausch dennoch ausreichend eingeschränkt werden.

Unterschiedliche Ressourcen und Partnerwahl

Gruppen können sich auf verschiedene Ressourcen oder Fortpflanzungsorte spezialisieren. Wenn dies mit unterschiedlicher Partnerwahl oder Fortpflanzungszeit zusammenhängt, kann der Genfluss abnehmen. Spezialisierung allein beweist aber noch keine Artbildung.

Polyploidie bei Pflanzen

Bei einer Vervielfachung ganzer Chromosomensätze kann sich eine Pflanzengruppe reproduktiv von der Ausgangspopulation unterscheiden. Beispielsweise können Pflanzen mit vier Chromosomensätzen bei Kreuzungen mit diploiden Pflanzen Nachkommen mit eingeschränkter Fruchtbarkeit erzeugen. Eine dauerhaft bestehende neue Linie muss sich auch selbst erfolgreich fortpflanzen können.

Polyploidie ist nicht einfach ein einzelnes zusätzliches Chromosom

Polyploidie betrifft vollständige Chromosomensätze. Sie ist von einer Veränderung der Anzahl einzelner Chromosomen zu unterscheiden. Nicht jede Chromosomenveränderung führt automatisch zu einer lebensfähigen neuen Art.

Vertiefung: weitere räumliche Situationen

Peripatrische Artbildung beschreibt eine getrennte kleine Randpopulation und wird häufig als Sonderfall der allopatrischen Artbildung behandelt; ein Gründereffekt kann dabei eine Rolle spielen. Bei parapatrischer Artbildung entwickeln sich benachbarte Populationen bei begrenztem Austausch auseinander. Diese Begriffe beschreiben räumliche Konstellationen, keine fest vorgeschriebenen Abläufe.

7 · Was kann bei erneutem Kontakt passieren?

Erneute Durchmischung

Fehlen ausreichend wirksame Fortpflanzungsbarrieren, kann Genfluss Unterschiede verringern. Eine frühere geografische Trennung muss dann keine dauerhafte Artgrenze hinterlassen.

Hybridzone

In einer Kontaktzone können Hybride entstehen. Je nach ihrem Fortpflanzungserfolg und den übrigen Bedingungen kann die Zone fortbestehen. Begrenzte Hybridisierung und die Abgrenzung zweier Linien können gleichzeitig vorkommen.

Verstärkung von Barrieren

Sind Hybride unter den gegebenen Bedingungen im Nachteil, kann Selektion Merkmale begünstigen, die Kreuzungen zwischen den Gruppen verringern. Dieser mögliche Prozess heißt Verstärkung oder Reinforcement; er tritt nicht bei jedem Wiederkontakt ein.

Dauerhaft getrennte Linien

Wirksame Fortpflanzungsbarrieren können Unterschiede auch bei Kontakt aufrechterhalten. Die Einschätzung stützt sich auf mehrere Befunde, etwa Partnerwahl, Fruchtbarkeit, genetischen Austausch und die Entwicklung der Populationen.

Wenn sich aus einer gemeinsamen Ausgangslinie mehrere Arten mit unterschiedlichen ökologischen Spezialisierungen entwickeln, spricht man von adaptiver Radiation. Dazu gehören mehrere Artbildungsereignisse; eine solche Entwicklung ist keine zwingende Folge jeder Besiedlung eines neuen Lebensraums.

Kurzer Begriffscheck

Ein Fluss trennt eine Population seit einiger Zeit. Welche Aussage ist fachlich gerechtfertigt?

Wähle eine Antwort.

12 Aufgaben: verstehen, anwenden und begründen

Löse zuerst selbst. Ein Tipp hilft beim Einstieg; die Lösung zeigt die fachliche Begründung.

1 · Erkläre den biologischen Artbegriff in eigenen Worten.

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Achte auf Fortpflanzungsgemeinschaft und Abgrenzung.

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Er fasst Populationen zusammen, deren Individuen sich unter natürlichen Bedingungen tatsächlich oder grundsätzlich erfolgreich miteinander fortpflanzen können und die gegenüber anderen solchen Gruppen reproduktiv abgegrenzt sind. Das Kriterium betrifft Populationen, nicht die Fruchtbarkeit jedes einzelnen Individuums.

2 · Warum ist dieser Artbegriff bei Fossilien nur eingeschränkt anwendbar?

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Kann man ihre Fortpflanzung direkt beobachten?

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Nein. Bei Fossilien muss man vor allem erhaltene Merkmale und ihre zeitliche sowie stammesgeschichtliche Einordnung untersuchen. Fortpflanzungsfähigkeit und natürlicher Genfluss lassen sich nicht direkt testen.

3 · Unterscheide geografische und reproduktive Isolation.

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Was passiert bei einem erneuten Kontakt?

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Geografische Isolation erschwert das Zusammentreffen durch räumliche Trennung. Reproduktive Isolation beruht auf Eigenschaften, die erfolgreichen genetischen Austausch begrenzen und auch bei Kontakt wirksam sein können.

4 · Warum ist ein Fluss nicht für jede Art dieselbe Barriere?

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Vergleiche Ausbreitungsfähigkeiten.

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Flugfähige Organismen oder gute Schwimmer können ihn eventuell überqueren, andere nicht. Seine Wirkung auf den Genfluss hängt von der Biologie der betreffenden Art ab.

5 · Beschreibe einen möglichen allopatrischen Ablauf.

Tipp anzeigen

Beginne mit einer Ausgangspopulation, nicht mit zwei fertigen Arten.

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Eine Population wird räumlich getrennt; der Genfluss nimmt ab. Die Gruppen können sich durch Mutation, Drift und Selektion auseinanderentwickeln. Entstehen dauerhafte Fortpflanzungsbarrieren, kann Artbildung erfolgen. Der letzte Schritt ist nicht zwangsläufig.

6 · Zwei Gruppen haben andere Farben. Sind das deshalb verschiedene Arten?

Tipp anzeigen

Welche Informationen fehlen?

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Nein. Farbunterschiede können innerhalb einer Art auftreten und allein keine reproduktive Abgrenzung nachweisen. Zusätzliche Befunde zu Abstammung, genetischem Austausch und Fortpflanzung sind erforderlich.

7 · Blütezeiten überlappen nicht. Prä- oder postzygotisch?

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Entsteht durch diesen verhinderten Austausch eine Zygote?

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Präzygotisch. Die zeitliche Isolation verhindert in diesem Beispiel die gemeinsame Fortpflanzungsphase, bevor eine Zygote entstehen kann.

8 · Eine Zygote entsteht, aber der Embryo stirbt früh. Wie ordnest du das ein?

Tipp anzeigen

Nicht die Geburt ist die entscheidende Grenze.

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Postzygotisch. Die Barriere wirkt nach Entstehung der Zygote, obwohl noch kein geborenes oder geschlüpftes Tier vorliegt.

9 · Lebensfähige Kreuzungsnachkommen sind unfruchtbar. Welche Barriere liegt vor?

Tipp anzeigen

Eine Zygote und ein Nachkomme sind bereits entstanden.

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Eine postzygotische Barriere, hier Hybridsterilität. Die Nachkommen können nicht selbst erfolgreich zur nächsten Generation beitragen.

10 · Wie kann Artbildung ohne geografische Trennung beginnen?

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Denke an Pflanzen oder Partnerwahl.

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Zum Beispiel kann eine Veränderung ganzer Chromosomensätze bei Pflanzen den Austausch mit der Ausgangspopulation begrenzen. Auch ökologische Unterschiede in Verbindung mit Partnerwahl oder Fortpflanzungszeit können den Genfluss verringern. Keine dieser Änderungen beweist für sich allein in jedem Fall eine neue Art.

11 · Was kann bei einem Wiederkontakt ohne Fortpflanzungsbarrieren passieren?

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Verbinde Isolation mit Genfluss.

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Genetischer Austausch kann wieder einsetzen und Unterschiede verringern. Eine dauerhafte reproduktive Trennung muss dann nicht bestehen bleiben. Geografische Trennung allein war also kein Beweis für abgeschlossene Artbildung.

12 · Warum sollte man keine feste Prozentgrenze für DNA-Unterschiede als universelle Artgrenze verwenden?

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Vergleiche Organismengruppen und untersuchte DNA-Abschnitte.

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Verschiedene Gruppen und Genombereiche entwickeln sich unterschiedlich. Artkonzepte und Entwicklungsprozesse sind ebenfalls verschieden. Eine sinnvolle Einordnung nutzt passende genetische und weitere biologische Befunde statt eines universellen Schwellenwerts.

Für den Unterricht: Möglichkeiten statt Zwangsfolgen

Einstieg: Beschreibt, was ein neu entstandener Fluss für verschiedene Organismen ändern könnte. Trennt dabei Erreichbarkeit und Fortpflanzungsfähigkeit.
Erarbeitung: Gruppen erklären die vier Schritte im Artbildungs-Labor und vergleichen beide Ausgänge beim Wiederkontakt. Das Fall-Labor übt die zeitliche Einordnung von Barrieren.
Transfer: Formuliert zu „verschiedene Farben“, „räumliche Trennung“ und „ein Hybrid“ jeweils, was daraus folgt und was noch offenbleibt.
Vertiefung: Verbindet die Beispiele mit Gendrift und Genfluss sowie mit dem Lesen evolutionärer Stammbäume.

Passende Materialien zum Weiterlernen

Kostenlos · PDF mit Lösungen