Natürliche Selektion bei Eidechsen — Freilandexperiment

Aufgabenstellung

Auf einer Karibikinsel werden zwei Eidechsenpopulationen der Gattung Anolis untersucht. Population A lebt auf Bäumen und besitzt im Mittel deutlich längere Hinterbeine als Population B, die am Boden zwischen niedrigem Buschwerk lebt und kürzere Beine aufweist.

In einem Freilandexperiment wird Population A auf eine benachbarte Insel umgesiedelt, auf der ausschließlich niedriges Buschwerk als Lebensraum zur Verfügung steht. Nach 10 Generationen wird eine signifikante Verkürzung der mittleren Beinlänge in der umgesiedelten Population gemessen.

(a) Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Beinlänge und Lebensraum aus evolutionsbiologischer Sicht. (3 BE)

(b) Formulieren Sie eine Hypothese, warum sich die Beinlänge nach der Umsiedlung verändert hat, und erläutern Sie den zugrundeliegenden Selektionsmechanismus. (5 BE)

(c) Erläutern Sie, warum dieses Experiment als Beleg für gerichtete Selektion gewertet werden kann, und grenzen Sie diese von stabilisierender Selektion ab. (4 BE)

(d) Beurteilen Sie, ob nach weiteren 100 Generationen eine noch stärkere Verkürzung der Beinlänge zu erwarten ist. (3 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Zusammenhang Beinlänge und Lebensraum (a)

Die Beinlänge stellt eine Angepasstheit (Adaptation) an den jeweiligen Lebensraum dar:

Lange Hinterbeine ermöglichen auf breiten Baumstämmen und Ästen eine hohe Laufgeschwindigkeit, was Vorteile bei der Flucht vor Fressfeinden und beim Beutefang bietet.
Kurze Hinterbeine bieten auf schmalen Zweigen und im niedrigen Buschwerk eine bessere Balance und Wendigkeit. Lange Beine wären in diesem Habitat nachteilig, da die Tiere häufiger abrutschen und stürzen würden.

Die unterschiedlichen Beinlängen sind somit das Ergebnis einer natürlichen Selektion, die in jedem Habitat diejenigen Individuen bevorzugt, deren Körperbau die höchste Überlebens- und Fortpflanzungswahrscheinlichkeit ermöglicht.

Schritt 2: Hypothese und Selektionsmechanismus (b)

Hypothese: Nach der Umsiedlung in einen Lebensraum mit niedrigem Buschwerk hatten Individuen mit kürzeren Beinen einen Selektionsvorteil gegenüber Individuen mit langen Beinen, sodass sich die mittlere Beinlänge der Population über mehrere Generationen verringerte.

Erläuterung des Selektionsmechanismus:

Variation: Innerhalb der umgesiedelten Population A besteht eine natürliche, genetisch bedingte Variabilität der Beinlänge.
Selektionsdruck: Im neuen Habitat (niedriges Buschwerk) sind Individuen mit kürzeren Beinen wendiger und stürzen seltener. Sie können effizienter Nahrung suchen und Fressfeinden ausweichen.
Differentielle Reproduktion: Kurzbeinigte Individuen überleben häufiger bis zur Geschlechtsreife und erzeugen im Durchschnitt mehr Nachkommen.
Vererbung: Die genetischen Grundlagen für kürzere Beine werden überproportional an die nächste Generation weitergegeben.
Kumulation über Generationen: Über 10 Generationen verschiebt sich die Häufigkeitsverteilung der Beinlänge systematisch in Richtung kürzerer Beine.

Schritt 3: Gerichtete vs. stabilisierende Selektion (c)

Gerichtete (direktionale) Selektion liegt vor, wenn Individuen an einem Extrem der Merkmalsverteilung einen Selektionsvorteil haben. Dies führt zu einer Verschiebung des Mittelwerts in eine Richtung:

Im Experiment verschiebt sich der Mittelwert der Beinlänge systematisch nach unten (Verkürzung). Es werden bevorzugt Individuen mit unterdurchschnittlich kurzen Beinen selektiert.
Der veränderte Selektionsdruck durch den neuen Lebensraum ist die treibende Kraft. Genau dies kennzeichnet gerichtete Selektion: eine einseitige Begünstigung eines Extrems bei veränderter Umwelt.

Stabilisierende Selektion dagegen bevorzugt Individuen nahe am Mittelwert der Merkmalsverteilung und selektiert gegen beide Extreme. Sie tritt typischerweise in stabilen Umweltbedingungen auf und verringert die Varianz des Merkmals, ohne den Mittelwert zu verschieben. Beispiel: In einem gleichbleibenden Lebensraum würde eine mittlere Beinlänge bevorzugt, weil sowohl zu lange als auch zu kurze Beine nachteilig wären.

Im vorliegenden Experiment ist der Mittelwert jedoch verschoben, was stabilisierende Selektion als Erklärung ausschließt.

Schritt 4: Prognose nach 100 weiteren Generationen (d)

Eine unbegrenzte weitere Verkürzung der Beinlänge ist nicht zu erwarten. Folgende Argumente sprechen dagegen:

Selektionsplateau: Sobald die Beinlänge ein Optimum für den Lebensraum erreicht hat, entfällt der gerichtete Selektionsdruck. Es stellt sich dann eher eine stabilisierende Selektion um das neue Optimum ein.
Funktionelle Grenzen: Zu kurze Beine würden die Fortbewegungsfähigkeit generell einschränken — es gibt eine Untergrenze, ab der weitere Verkürzung nachteilig ist.
Genetische Variabilität: Die genetische Variabilität für Beinlänge kann durch fortgesetzte Selektion abnehmen, sodass immer weniger Selektionsspielraum besteht.

Es ist daher zu erwarten, dass sich die Beinlänge einem Selektionsoptimum annähert und dann auf diesem Niveau stabilisiert. Die gerichtete Selektion geht langfristig in eine stabilisierende Selektion über.

Ergebnis

Frage	Antwort
(a) Zusammenhang Beinlänge–Lebensraum	Beinlänge ist eine Angepasstheit: lange Beine für Bäume (Geschwindigkeit), kurze Beine für Buschwerk (Wendigkeit, Balance)
(b) Hypothese und Mechanismus	Kurzbeinigte Individuen haben im neuen Habitat Selektionsvorteil → differentielle Reproduktion → Allelfrequenzverschiebung über 10 Generationen
(c) Gerichtete vs. stabilisierende Selektion	Gerichtet: Mittelwert verschiebt sich einseitig (Verkürzung); Stabilisierend: Mittelwert bleibt konstant, Extreme werden benachteiligt
(d) Prognose 100 Generationen	Keine unbegrenzte Verkürzung; Annäherung an Selektionsoptimum, dann Übergang zu stabilisierender Selektion