Neues Modell sagt voraus, wie geografische Merkmale evolutionäre Ergebnisse beeinflussen

Biologen haben eine neue Methode entwickelt, um das Ausmaß zu messen, in dem regionale geografische Merkmale – einschließlich Barrieren zwischen Regionen, wie Berge oder Wasser – lokale Artenbildungs-, Aussterbe- und Verbreitungsraten von Arten beeinflussen. Als Testfall nutzten sie ihr Modell erfolgreich, um die Bewegung und Diversifizierung neotropischer Anolis-Eidechsen zu beschreiben.

„Geografische Merkmale beeinflussen evolutionäre Ergebnisse auf vorhersagbare Weise“, sagte Michael Landis, Assistenzprofessor für Biologie in Arts & Sciences an der Washington University in St. Louis, Erstautor der in der veröffentlichten Studie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). „Unsere Studie legt die statistische Grundlage, um zu modellieren, wie verschiedene geografische Merkmale als Barrieren für die Artenbewegung wirken oder das Aussterben für andere Gruppen als Anolis beschleunigen könnten.

„Solche Schlussfolgerungen können uns auch dabei helfen, vorherzusagen, welche Arten sich am ehesten bewegen, entwickeln oder aussterben werden, wenn sich der Klimawandel verstärkt“, sagte er.

Wissenschaftler haben seit langem erkannt, dass die Geographie eine Rolle dabei spielt, wie Arten neue Regionen besiedeln und ob sich weit verbreitete Arten schließlich in Gruppen aufteilen, die genetisch unterschiedlich werden und die Fähigkeit verlieren, sich miteinander zu reproduzieren.

Aber obwohl die Geographie eine klare, beschreibbare Rolle für das Schicksal vieler einzelner Tier- und Pflanzenarten spielt, hat niemand zuvor standardisierte Modelle entwickelt, die es geografischen Merkmalen ermöglichen, die Entfaltung evolutionärer Strahlungen im Raum zu formen. Um diese Lücke zu schließen, entwarfen Landis und seine Mitarbeiter ein neues phylogenetisches Modell der Biogeographie, das sie ABB nannten.

„FIG ermöglicht es, Artenbildung, Aussterben und Verbreitungsraten von den lokalen regionalen Merkmalen abzuhängen, denen jede Art in ihrem Verbreitungsgebiet begegnet, während sie sich entwickelt“, sagte Landis. „Zum Beispiel kann das Vorhandensein einer Barriere, die das Verbreitungsgebiet einer Art unterbricht, dazu führen, dass sich diese Art schneller in zwei verschiedene Arten ‚aufspaltet‘, als wenn keine Barriere vorhanden wäre.

Um seine Fähigkeiten zu demonstrieren, verwendeten Landis und seine Mitarbeiter ihren Ansatz, um die Biogeographie von zu modellieren Anolis Eidechsen, eine Gruppe von Eidechsen, von denen bekannt ist, dass sie sich über die karibischen Inseln sowie Nord- und Südamerika ausgebreitet haben.

Der qualitative Teil dessen, was sie lernten, war nicht überraschend: dass Anolen dazu neigen, sich eher über kurze Distanzen als über weite Distanzen fortzubewegen, und dass Bewegungen über Wasser weniger häufig waren als Bewegungen über Land für entsprechende Distanzen.

„Mit anderen Worten, ferne Orte sind weit und Wasser ist nass – was uns sagte, dass unser neues Modell im richtigen Bereich war“, witzelte Landis. Aber mit Beharrlichkeit bewies er bald, dass das Modell Beziehungen zwischen bestimmten geografischen Merkmalen und Evolutionsraten quantifizieren kann, die zuvor schwer zu messen waren.

„Zum Beispiel konnten wir eine maximale Entfernung messen, bei der die Verbreitungsgebiete von Arten zu weit verbreitet sind, um einer Teilung in zwei Teile zu widerstehen“, sagte Landis. „Zu unserer Überraschung und Zufriedenheit stimmten unsere geschätzten Entfernungen gut mit den heute weit verbreiteten Anolen überein: Einige kontinentale Anolen sind in angrenzenden Regionen weit verbreitet, aber Wasser beschränkt die Verbreitungsgebiete der meisten Insel-Anolen auf nur eine Region.“

Die Wissenschaftler entdeckten, dass Entfernung die Bewegung behindert Anolis Eidechsen, sowohl in Bezug auf die Erweiterung des Verbreitungsgebiets durch Ausbreitung als auch in Bezug auf die Möglichkeit, weit verbreitete Arten mit fragmentierten Verbreitungsgebieten in zwei Arten „aufzuspalten“.

Entfernungen über Wasser haben einen viel größeren Einfluss auf die Bewegungseinschränkung als Entfernungen über Land, sagte Landis. Das Modell ergab, dass Entfernungen über Wasser dreimal so stark wirken wie äquivalente Entfernungen über Land.

Landis und seine Mitarbeiter – darunter Ignacio Quintero von der École Normale Supérieure in Paris, Michael Donoghue und Martha Muñoz von der Yale University und Felipe Zapata von der University of California in Los Angeles – haben ihr neues Modell anderen kostenlos zur Verfügung gestellt. Sie gehen davon aus, dass andere Biologen FIG anpassen und anwenden werden, um neue Hypothesen darüber zu testen, wie andere Gruppen von Tier- und Pflanzenarten durch die Berge und Ozeane, denen sie begegneten, geformt wurden.

„Biogeographen erkennen, dass sowohl größere Entfernungen als auch geografische Barrieren die Bewegung einschränken“, sagte Landis. „Aber es ist schwieriger, Biogeographen dazu zu bringen, sich darüber zu einigen, inwieweit Entfernungen oder Barrieren die Ausbreitung von Arten über Millionen von Jahren beeinflussen sollten.

„Wir Biologen hatten nicht die richtigen statistischen Werkzeuge, um zu modellieren, wie geografische Merkmale die Artbildung, das Aussterben und die Verbreitungsraten zwischen eng verwandten evolutionären Linien beeinflussen könnten, also haben wir einige erfunden“, sagte er. „Die Schlüsselideen, die in dieser Studie entstanden sind, sind aus einer engen Zusammenarbeit zwischen Organismen und mathematischen Biologen entstanden, die fasziniert davon sind, wie sich Arten im Weltraum entwickeln.“