Biologen beobachten bei Stabheuschrecken im Laufe der Zeit wiederkehrende evolutionäre Veränderungen

Eine seit langem geführte Debatte unter Evolutionswissenschaftlern geht ungefähr so: Verläuft die Evolution nach einem vorhersehbaren Muster oder hängt sie von Zufällen und Kontingenz ab? Das heißt: Wenn man die Uhr zurückdrehen könnte, wie es der berühmte Wissenschaftler Stephen Jay Gould (1941–2002) in seiner berühmten Metapher „Replaying the Tape of Life“ beschrieb, würde sich das Leben auf der Erde dann wieder ähnlich entwickeln wie heute, oder würde es ganz, ganz anders aussehen?

„Wenn man es als Entweder-oder-Frage formuliert, ist es zu simpel“, sagt der Evolutionsbiologe Zachariah Gompert von der Utah State University. „Die Antwort ist weder ‚völlig zufällig‘ noch ‚völlig deterministisch und vorhersehbar‘. Und doch können wir bei der Untersuchung kurzer Zeiträume vorhersehbare, wiederholbare Evolutionsmuster finden.“

Gompert und Kollegen Bericht über Beweise für eine wiederholbare Evolution in Populationen von Stabheuschrecken in der Arbeit „Evolution wiederholt sich in replizierten Langzeitstudien in der Wildnis“, in Wissenschaftliche FortschritteZu den Autoren des Artikels gehören Gomperts langjähriger Mitarbeiter Patrik Nosil und andere Forscher der französischen Universität Montpellier, der brasilianischen Bundesuniversität von São Paulo, der University of Nevada, Reno und der Universität Notre Dame.

Das Team untersuchte drei Jahrzehnte an Daten zur Häufigkeit kryptischer Farbmustermorphen bei der Stabheuschreckenart Timema cristinae in zehn natürlich reproduzierten Populationen in Kalifornien. T. cristinae ist in Bezug auf Körperfarbe und Muster polymorph. Einige Insekten sind grün, wodurch das flügellose, pflanzenfressende Insekt mit kalifornischem Flieder (Ceanothus spinosus)-Sträuchern unauffällig wird. Im Gegensatz dazu verschwinden grün gestreifte Morphen vor Chamise-Sträuchern (Adenostoma fasciculatum).

Eine der wichtigsten Verteidigungsstrategien von T. christinae besteht darin, sich zwischen den Pflanzen zu verstecken, da hungrige Vögel wie etwa Floridahäher unersättliche Fressfeinde der Stabheuschrecken sind.

„Vögel sind ein ständiger Faktor, der die organismischen Merkmale der Insekten prägt, darunter Färbung und Streifen- bzw. Nichtstreifenmuster“, sagt Gompert, außerordentlicher Professor am Fachbereich Biologie und am Ökologiezentrum der USU. „Wir haben in allen Populationen vorhersehbare Schwankungen der Streifenhäufigkeit beobachtet, die wiederholbare Evolutionsdynamiken auf der Grundlage bestehender genetischer Variationen darstellen.“

Er sagt, ein Feldexperiment zeige, dass diese Schwankungen mit der negativen frequenzabhängigen natürlichen Selektion (NFDS) zusammenhängen, bei der kryptische Farbmuster vorteilhafter sind, wenn sie selten sind, als wenn sie häufig sind. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass Vögel ein „Suchbild“ für sehr häufige Beute entwickeln.

„Auf kurzen Zeitskalen kann die Entwicklung bestehender Variationen ziemlich vorhersehbar sein“, sagt Gompert. „Man kann sich darauf verlassen, dass gewisse Faktoren immer vorhanden sind, wie zum Beispiel Vögel, die sich von Insekten ernähren.“

Auf längeren Zeitskalen werden die Evolutionsdynamiken jedoch weniger vorhersehbar.

„Die Bevölkerungen könnten von einem Zufallsereignis wie einer schweren Dürre oder einer Überschwemmung betroffen sein, das den Status quo und damit die vorhersehbaren Folgen stört“, sagt Gompert.

Auf lange Sicht könnte eine neue Mutation in der Art ein seltenes Merkmal einführen, sagt er. „Das ist so nah an wirklichem Zufall, wie es nur geht.“

„Seltene Dinge gehen leicht durch Zufall verloren, daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine neue Mutation verschwindet, bevor sie sich festsetzen kann“, sagt er. „Tatsächlich hatte eine andere Art der Timema-Stabschrecke, die sich ebenfalls von Chamise ernährt, die Mutationen, die das kryptische Streifenmerkmal ausmachen, entweder nie oder verlor sie schnell wieder. Daher ist die Entwicklung des Streifens kein wiederholbares Ergebnis der Evolution auf dieser langen Skala.“

Gompert weist darauf hin, dass wiederholte Langzeitstudien an natürlichen Populationen, darunter auch Untersuchungen an den berühmten Darwinfinken, selten sind.

„Da sich die meisten dieser Arbeiten auf eine oder wenige Populationen beschränken, ist es schwierig, Rückschlüsse auf die Wiederholbarkeit mehrerer evolutionär unabhängiger Populationen zu ziehen“, sagt er. „Solche Studien sind nicht nur deshalb eine Herausforderung, weil sie konzertierte Anstrengungen erfordern, sondern auch, weil man die Zeit nicht unter Kontrolle halten kann.“