Wie neue Arten entstehen und ältere verschwinden, haben Schweizer Forscher unter anderem am Beispiel der Wal-Evolution anhand eines neuen Modells nachgezeichnet.

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Wie schnell die Natur neue Tier- und Pflanzenarten hervorbringt und auch wieder verschwinden lässt, kann man auf mehreren Wegen bestimmen. Fossilien beispielsweise geben sehr gute Hinweise hinsichtlich der Geschwindigkeit der Evolution. Verwandtschaftsbäume wiederum liefern ebenfalls ein recht gutes Bild. Allerdings gelangt man mit diesen beiden Methoden oft zu unterschiedlichen Ergebnissen. Schweizer Wissenschaftern ist es nun mithilfe eines neuen Modells gelungen, diese Widersprüche aufzulösen.

Artbildungs- und Aussterberaten verraten viel über die Vergangenheit unseres Planeten. Tauchen in kurzen Abständen neue Arten auf, deutet das darauf hin, dass die Lebensbedingungen auf der Erde günstig gewesen sein müssen. Hingegen können außergewöhnliche Ereignisse ein Massenaussterben auslösen. Das berühmteste Beispiel ist das Verschwinden der Dinosaurier vor 66 Millionen Jahren, wahrscheinlich verursacht durch einen Meteoriteneinschlag oder Vulkanausbrüche.

Unterschiedliche Resultate

Die Frequenz, mit der Arten in der Vergangenheit auftauchten und wieder verschwanden, ist jedoch schwierig zu bestimmen. "Es war ja niemand dabei, als diese Prozesse abliefen", sagt Rachel Warnock von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich). Deshalb versuchen Wissenschafter, die Entstehungs- und Aussterberaten mit indirekten Methoden abzuleiten. Wichtige Informationen liefern zum einen Fossilienfunde aus verschiedenen geologischen Zeitaltern. Zum anderen können auch auf DNA-Analysen basierende, sogenannte phylogenetische Verwandtschaftsbäume heute lebender Arten Hinweise geben. Aus diesen Stammbäumen lässt sich mit statistischen Methoden ebenfalls darauf schließen, wie oft in der Vergangenheit neue Arten entstanden und alte ausstarben.

Für die Wissenschafter ist jedoch problematisch, dass die beiden genannten Methoden häufig abweichende Ergebnisse liefern. Die aus Fossilienfunden abgeleiteten Entstehungs- und Aussterberaten sind oft viel höher als jene von phylogenetischen Methoden. Bisher war unklar, wie es zu dieser Abweichung kommt. Eine Erklärung haben nun Warnock und Tanja Stadler, Leiterin der Forschungsgruppe Computational Evolution, zusammen mit weiteren Kollegen gefunden. "Die beiden Methoden basieren auf unterschiedlichen Annahmen, wie Artbildung abläuft", sagt Warnock. Deshalb gelangen sie zu verschiedenen Ergebnissen. Wird jedoch von denselben Annahmen ausgegangen, lassen sich die Ergebnisse der beiden Methoden in Deckung bringen.

Neues Computermodell

Das konnten die Forscher am Beispiel verschiedener Tiergruppen zeigen, etwa der Wale, der Hunde- und der Rinderartigen. Gelungen ist ihnen dies mit Hilfe eines eigens entwickelten Computermodells. "Mit diesem ist es nun möglich, beide Sichtweisen zu vereinen", sagt Warnock. Die Resultate der Arbeit wurden in der Fachzeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht.

Man geht davon aus, dass es nicht nur eine, sondern verschiedene Möglichkeiten gibt, wie neue Arten entstehen. Bei der sogenannten Knospung geht aus einer bestehenden Art (beispielsweise einem "Urwal") eine neue hervor, während die alte ebenfalls weiter existiert. Bei der Aufspaltung zweigen aus einer alten Art zwei neue Spezies ab. Die ursprüngliche Art verschwindet dabei. Bei der Artumwandlung schließlich entwickelt sich eine frühere Art zu einer neuen. Auch hier verschwindet die alte Spezies.

Hinweise auf evolutionäre Wege

Dabei führt jeder Modus zu unterschiedlichen Ergebnissen: Es können entweder eine oder zwei neue Arten gleichzeitig entstehen, während der Vorfahre, die alte Art, entweder weiter existiert oder ausstirbt. "Diese verschiedenen Möglichkeiten hat man in den statistischen Methoden zur Analyse von Stammbäumen und Fossilien bisher nicht explizit berücksichtigt", sagt Warnock. Das neue Modell bezieht sie nun mit ein und erreicht so, dass fossilienbasierte und phylogenetische Informationen vergleichbare Artbildungs- und Aussterberaten liefern.

Es gibt zudem Hinweise darauf, welcher Modus der Artentstehung bei einer Tier- oder Pflanzengruppe vorwiegend am Werk gewesen sein muss. Beispielsweise lässt sich aus dem Stammbaum der Walartigen ableiten, dass der häufigste Modus die Umwandlung war, dass also alte Arten in neue übergegangen sind. Somit kann das Modell künftig dazu dienen, neue Erkenntnisse über die Evolution von Organismen zu gewinnen. Zudem erlaubt es, die Ergebnisse fossilienbasierter und phylogenetischer Analysen besser als bisher in Einklang zu bringen. (red, 28.12.2018)