Evolution wurde lange Zeit als eher zufälliger Prozess betrachtet, bei dem die Eigenschaften von Arten durch zufällige Mutationen und Umweltereignisse geformt werden – und daher weitgehend unvorhersehbar sind.
Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Forschern der Yale University und der Columbia University hat jedoch herausgefunden, dass eine bestimmte Pflanzenlinie unabhängig voneinander immer wieder drei ähnliche Blatttypen in Bergregionen entwickelt hat, die über die Neotropen verstreut sind.
Die Ergebnisse lieferten die ersten Beispiele in Pflanzen für ein Phänomen, das als „replizierte Strahlung“ bekannt ist, bei der sich ähnliche Formen wiederholt in verschiedenen Regionen entwickeln, was darauf hindeutet, dass die Evolution nicht immer ein so zufälliger Prozess ist, sondern vorhergesagt werden kann.
Die Studie wird am 18. Juli in der Zeitschrift veröffentlicht Naturökologie & Evolution.
„Die Ergebnisse zeigen, wie vorhersehbar die Evolution tatsächlich sein kann, wenn sich die Entwicklung von Organismen und die natürliche Selektion unter bestimmten Umständen kombinieren, um immer wieder dieselben Formen hervorzubringen“, sagte Michael Donoghue von Yale, emeritierter Sterling-Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie und Mitautor. „Vielleicht kann die Evolutionsbiologie viel mehr zu einer prädiktiven Wissenschaft werden, als wir uns das jemals in der Vergangenheit vorgestellt haben.“
Für die Studie untersuchte das Forschungsteam die Genetik und Morphologie der Pflanzenlinie Viburnum, einer Gattung von Blütenpflanzen, die sich vor etwa 10 Millionen Jahren südlich von Mexiko nach Mittel- und Südamerika ausbreitete. Donoghue studierte dieselbe Pflanzengruppe für seinen Ph.D. Dissertation in Harvard vor 40 Jahren. Damals plädierte er für eine alternative Theorie, bei der sich große, behaarte Blätter und kleine glatte Blätter früh in der Evolution der Gruppe entwickelten und dann beide Formen getrennt durch die verschiedenen Gebirgszüge wanderten, wobei sie von Vögeln zerstreut wurden.
Die neuen genetischen Analysen, über die in der Veröffentlichung berichtet wird, zeigen jedoch, dass sich die beiden unterschiedlichen Blatttypen unabhängig und parallel in jeder einer Reihe von Bergregionen entwickelt haben.
„Ich bin zu dem falschen Schluss gekommen, weil mir in den 1970er Jahren die relevanten genomischen Daten fehlten“, sagte Donoghue.
Das Team fand heraus, dass sich in 9 von 11 untersuchten Regionen ein sehr ähnlicher Satz von Blatttypen entwickelte. An Orten, an denen Viburnum erst vor kurzem eingewandert ist, muss sich jedoch möglicherweise noch die gesamte Palette der Blatttypen entwickeln. Zum Beispiel fehlen in den Bergen Boliviens die großen haarigen Blattarten, die in anderen feuchteren Gebieten mit wenig Sonnenschein im Nebelwald in Mexiko, Mittelamerika und Nordsüdamerika zu finden sind.
„Diese Pflanzen kamen vor weniger als einer Million Jahren nach Bolivien, daher gehen wir davon aus, dass sich die große, haarige Blattform schließlich auch in Bolivien entwickeln wird“, sagte Donoghue.
Bei Tieren wie Anolis-Eidechsen in der Karibik wurden mehrere Beispiele für replizierte Strahlung gefunden. In diesem Fall hat sich dieselbe Gruppe von Körperformen oder „Ektomorphen“ unabhängig voneinander auf mehreren verschiedenen Inseln entwickelt. Anhand eines Pflanzenbeispiels, das jetzt zur Hand ist, werden Evolutionsbiologen versuchen, die allgemeinen Umstände herauszufinden, unter denen solide Vorhersagen über evolutionäre Trajektorien getroffen werden können.
„Diese jahrzehntelange Zusammenarbeit hat ein wunderbares neues System zur Untersuchung der evolutionären Anpassung offenbart“, sagte Ericka Edwards, Professorin für Ökologie und Evolutionsbiologie in Yale und Mitautorin der Veröffentlichung. „Nachdem wir das Muster ermittelt haben, besteht unsere nächste Herausforderung darin, die funktionelle Bedeutung dieser Blatttypen und die zugrunde liegende genetische Architektur, die ihre wiederholte Entstehung ermöglicht, besser zu verstehen.“
Edwards und Deren Eaton von Columbia sind Co-korrespondierende Autoren des Artikels.
Michael J. Donoghue et al., Replizierte Strahlung einer Pflanzengruppe entlang eines Nebelwaldarchipels, Naturökologie & Evolution (2022). DOI: 10.1038/s41559-022-01823-x