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Update für die Evolution

Michael Bell


(10.11.2021) GREIFSWALD: Beeinflussen Tiere durch ihr arttypisches Verhalten die eigene Evolution? Diese Frage wird unter Evolutionsbiologen heiß diskutiert. Eine neue empirische Studie wagt erstmals den Praxistest.

Die Evolutionstheorie ist eine Erfolgsgeschichte, daran gibt es wenig Zweifel. Obwohl ihre erstmalige Beschreibung schon mehr als 150 Jahre zurückliegt, gehören die Grundprinzipien nach wie vor zu den Eckpfeilern des naturwissenschaftlichen Weltbildes, die kaum jemand ernsthaft in Frage stellt.

Und doch gibt es bei genauerem Hinsehen durchaus konträre Positionen. Einige Evolutionsbiologen sind der Ansicht, dass viele Tiere die Evolutionsrate ihrer Stammeslinie durch ihr direktes Verhalten mit beeinflussen. Braucht die Evolutionstheorie, wie sie an Schulen und Universitäten gelehrt wird, also ein Update? Über das Thema streiten sich die Gelehrten seit einigen Jahren in Publikationen und Kommentaren mit harten rhetorischen Bandagen. „Die Diskussion hat teilweise ideologische Ausmaße angenommen. Es war gar nicht leicht, sich da nicht mitreißen zu lassen“, findet Jonas Wolff, Zoologe und Evolutionsforscher vom Zoologischen Institut und Museum der Universität Greifswald. Wolff hat ein hehres Ziel: Er möchte den aufgeladenen Streit endlich versachlichen.

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Man versteht den Konflikt vielleicht besser mit einem kurzen Schwenk in die Vergangenheit. Die Geschichte der Evolutionslehre begann Mitte des 19. Jahrhunderts, als die Naturforscher Charles Darwin und Alfred Russell Wallace gemeinsam ihre Thesen vorstellten, später festgehalten und bekannt gemacht durch Darwins Buch „The Origin of Species“ von 1859. Demnach ist die Entstehung biologischer Arten im Kern das Resultat von zufälliger Merkmalsvariation und natürlicher Selektion eben dieser Merkmale. Die Prinzipien der Darwin’schen Evolutionstheorie bilden – zusammen mit den Mendel’schen Vererbungsregeln – nach wie vor das Fundament für die moderne Evolutionslehre. Allerdings monieren manche Evolutionsforscher, die Standard­theorie sei zu fixiert auf die Genebene und vernachlässige nicht-genetische Einflussfaktoren.

Einer dieser Faktoren ist die sogenannte Nischen-Konstruktion (englisch: Niche Construction). Laut diesem Konzept gestalten viele Tiere ihren direkten Lebensraum so maßgeblich um, dass sich die auf sie wirkenden Selektionsdrücke verändern und letztlich auch die evolutionäre Dynamik der eigenen Stammeslinie beeinflusst wird. Solche Umgestaltungen sind etwa der Bau von Nestern, Höhlen oder auch Netzen; artabhängige Phänomene, die als erweiterter Phänotyp (englisch: Extended Phenotype) zusammengefasst werden. Das Konzept des erweiterten Phänotyps an sich ist unstrittig, allerdings geht vielen Forschern die Idee der Nischen-Konstruktion zu weit. Sie sind überzeugt, dass etwa nestbauende Vögel oder netzwebende Spinnen die Geschwindigkeit von evolutionären Prozessen mit ihrem Verhalten nicht beeinflussen. Die Auseinandersetzung gipfelte 2014 in einem offenen Schlagabtausch zwischen Evolutionsbiologen weltweit zur Frage, ob die Evolutionstheorie komplett neu gedacht werden müsse (Nature, doi: 10.1038/514161a).

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Die Diskussionen basieren bisher auf theoretischen Modellierungen. Der promovierte Zoologe Wolff möchte das ändern: „Unsere Studie nutzt erstmals empirische Daten im großen Maßstab, um den Einfluss von Bauverhalten auf die Evolutionsrate zu testen. Dazu untersuchten wir über 800 verschiedene Spezies der Ordnung Araneae (Webspinnen), darunter netzbauende und nicht-netzbauende Arten.“ Die zentrale Frage: Beeinflusst der Netzbau die Geschwindigkeit, mit der sich das Aussehen der Spinnen evolutionär verändert?

Die Vermessung der Spinne

Wolff hatte gute Gründe, gerade die Spinnen als Tiermodell zu wählen. Zum einen ist das Merkmal Netzbau über viele Spinnenfamilien verstreut und in der Evolution mehrmals unabhängig voneinander entstanden. Zum anderen zeigte der Jungforscher schon während seiner Studentenzeit an der Universität Kiel ein besonderes Interesse an den kleinen Achtbeinern. In der Gruppe um Stanislav Gorb beschäftigte er sich über Jahre mit den Haftorganen und -sekreten von Spinnen und der Frage nach deren phylogenetischer Entwicklung; erst als studentische Hilfskraft, später als Master- und Promotionsstudent. An der australischen Macquarie University vertiefte er seine phylogenetischen Studien zur Evolution des Spinnennetzbaus. Dabei entstand die Studie, deren Ergebnisse nun veröffentlicht wurden und die Debatte auf den Boden der (empirischen) Tatsachen zurückholen sollen (PNAS, doi: 10.1073/pnas.2102693118).

Am Anfang stand für Wolff und seine Mitstreiterin Kaja Wierucka, die inzwischen an die Universität Zürich gewechselt ist, das Araneae Tree of Life Project (AToL), in dem die phylogenetischen Beziehungen von nahezu tausend Spinnenarten weltweit erfasst wurden. Diese lange Artenliste bildete das Gerüst für alle weiteren Schritte. Um nun die Evolutionsrate der Spinnen bestimmen zu können, benötigte das Duo leicht messbare Merkmale. Sie einigten sich auf sechs Größen: Körperlänge, Form des Cephalothorax, Höhe des Cephalothorax, Größe der Mundwerkzeuge, Augengröße und Beinlänge. Wolff bemerkt hierzu: „Wichtig war für uns: Die Merkmale sollten sich untereinander wenig beeinflussen, also möglichst unabhängig sein. Und wir brauchten Merkmale, die bei der Artbeschreibung oft erfasst werden, damit nicht zu viele Leerstellen bleiben.“

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Jonas Wolff hat keine Berührungsängste: In Neuseeland geht er mit einer Cambridgea foliata auf Tuchfühlung, die in ihrem großen Deckennetz sitzt. Fotos (2): Wolff

Wolff und Co. begannen also, die sechs Merkmale für alle gut tausend Spinnenarten zu recherchieren – eine Mammutaufgabe. Im World Spider Catalog (WSC), einer riesigen Datenbank für taxonomische Publikationen zu Spinnenarten, durchforsteten die beiden Artikel um Artikel für die begehrten Informationen. Wenn dort nichts zu holen war, vermaßen sie sogar eigenhändig die Spinnenfotos, die im AToL zu einigen Arten hinterlegt sind. Trotz aller Bemühungen blieben einige freie Stellen im Datensatz. Für die finale Analyse konnten Wolff und ­Wierucka bei 815 Arten die Körperlänge, bei 749 Arten zusätzlich die Form des Cephalothorax und bei 340 Arten alle sechs Merkmale bestimmen – ohne Zweifel ein beeindruckender Datensatz.

K(l)eine Effekte

Nach der Datenakquise kam die Mathematik. Doch wie misst man, ob der Netzbau von Spinnen ihre phänotypischen Merkmale beeinflusst? Autor Wolff erklärt: „Wir kreieren zwei Rechenmodelle mit unterschiedlichen Annahmen. In einem Modell nehmen wir an, dass die evolutionäre Dynamik der Spinnen von der Netzbauaktivität abhängt. Im Gegenmodell hat die Netzbauaktivität keinen Einfluss auf die Veränderungsrate. Nun vergleichen wir mit einem statistischen Verfahren, welches Modell die tatsächliche Variation unseres Datensatzes besser erklärt.“ Für die Berechnung verwendete das Duo einen neuartigen Ansatz mit dem sperrigen Namen MuSSCRat (englisch: Multiple State-specific Rates of Continuous-Character Evolution). Dieser hat einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Ansätzen, die bislang zum Zuge kamen, wenn Forscher den Einfluss von diskreten Merkmalen auf kontinuierliche Eigenschaften bestimmen wollten. Beim MuSSCRat werden in beiden Rechenmodellen Hintergrundeffekte von (nicht näher definierten) Störgrößen berücksichtigt, quasi als natürliches Grundrauschen in der evolutionären Veränderungsrate. Enthalten die Modelle keine solchen Störgrößen, sind die Berechnungen anfällig dafür, zufällige Ausreißer als reale Effekte fehlzudeuten. Der MuSSCRat ist hingegen robust gegen dieses sogenannte Straw-Man-Problem.

Die spannende Frage: Haben die Evolutionsforscher mit dem MuSSCRat-Ansatz einen Unterschied entdeckt, der tatsächlich mit der Netzbauaktivität der Spinnen korreliert und nicht vom Hintergrundrauschen herrührt? „Bei den Analysen mit entweder der Körperlänge oder der Körperlänge und der Form des Cephalothorax sehen wir keinerlei Hinweis darauf, dass die Evolutionsrate der Netzbauer abweicht. Wenn wir alle sechs Merkmale betrachten, gibt es Unterschiede in der Dynamik, namentlich eine Verlangsamung der Evolutionsrate bei den Netzbauern“, konstatiert Wolff, betont aber: „Diese Effekte sind so marginal, dass sie geringer ausfallen als die alternativen Effekte der Störgrößen.“ Sein Fazit: Der erweiterte Phänotyp, in diesem Fall der Netzbau, hat keinen signifikanten Einfluss auf die Evolutionsrate der Spinnen.

Die Daten deuten eher darauf hin, dass Umweltbedingungen wie Räuber-Beute-Beziehungen oder Habitatstruktur die Diversität der Spinnenmerkmale bestimmen. Wolff vermutet, dass auch der Netzbau selbst eine Folge dieser äußeren Einflüsse ist. Der evolutionäre Druck beeinflusst also wohl die Netzbauaktivität der Spinnen und nicht anders herum. Ein Ergebnis, das den Studienleiter selbst etwas überrascht: „Als Wissenschaftler arbeitet man natürlich immer ergebnisoffen. Dennoch fand ich im Vorfeld die Argumente der Nischen-Konstruktions-Theorie recht plausibel.“ Er betont dabei, dass die Studie die Idee der Nischen-Konstruktion keinesfalls widerlegt. Die Ergebnisse der Spinnennetze schließen solche Effekte woanders nicht aus. Wolff hofft, dass der MuSSCRat-Ansatz und mehr empirische Daten, auch aus anderen Tierstämmen, hier noch mehr Licht ins Dunkel bringen.

Er selbst bleibt aber bis auf Weiteres den Spinnen treu. Aktuell gilt sein Interesse einer bestimmten Gruppe, den südlichen Marronoiden. „Diese Spinnen weisen eine außergewöhnliche evolutionäre Dynamik auf, auch in Bezug auf den Netzbau – ideal für tiefergehende Studien!“ Nebenbei arbeitet er an einer Datenbank mit, um etliche Spinnenmerkmale systematischer als bislang zu erfassen. Diese digitale Spinnen-Enzyklopädie ist kürzlich publiziert worden und nun öffentlich zugänglich (spidertraits.sci.muni.cz). Bislang sind mehr als 200.000 Einträge zu über 7.500 Spinnen-Taxa verzeichnet. Das darin festgehaltene Wissen dürfte Evolutionsforschern wie Jonas Wolff die Akquise und Analyse ihrer Daten spürbar erleichtern.