Natürliche Auslese

Haben Sie jemals den Satz "Überleben des Stärkeren" gehört? Wenn die meisten Menschen diesen Satz hören, denken sie an körperliche Fitnessmerkmale wie Schnelligkeit, Kraft und Ausdauer. Doch was verstehen Biologen eigentlich unter Fitness?

Alles begann mit der Veröffentlichung von Charles Darwins Buch "Die Entstehung der Arten" im Jahr 1859, das viele Debatten auslöste. Darwins Theorie der natürlichen Selektion, die er als "das Prinzip, durch das jede geringfügige Abweichung, wenn sie nützlich ist, erhalten bleibt", definierte, weckte das Interesse eines prominenten Denkers des 19. Jahrhunderts, Herbert Spencer. In seinem Buch "Principles of Biology" prägte Spencer den Ausdruck "Überleben des Stärkeren", um Darwins natürliche Selektion zu erklären. Dieser Satz fand bei vielen, auch bei Darwin selbst, Anklang, und der Begriff Fitness wurde populär.

Wenn Biologen jedoch an die Fitness eines Organismus denken, denken sie nicht an seine Stärke, Schnelligkeit oder Ausdauer. Stattdessen betrachten sie Fitness einfach als den Fortpflanzungserfolg eines Organismus im Vergleich zu anderen. Nehmen Sie zum Beispiel diese Schneeschuhhasen. Organismen mit größerer relativer Fitness haben Anpassungen, die es ihnen ermöglichen, mehr Nachkommen zu haben, die überleben und sich fortpflanzen. Diese Anpassungen werden als Phänotypen bezeichnet, die einfach als visueller Ausdruck eines Merkmals definiert werden. Schneeschuhhasen zum Beispiel sind im Sommer braun, bekommen aber ein weißes Fell, wenn die Temperaturen sinken. Die Fähigkeit, die Fellfarbe zu ändern, ermöglicht es Schneeschuhhasen, sich zu tarnen. Da Hasen mit weißem Winterfell für Raubtiere im Schnee weniger sichtbar sind, sind die Überlebensraten bei Hasen, die sich im Winter weiß färben, viel höher. Infolgedessen überleben mehr farbwechselnde Hasen, um sich im Sommer fortzupflanzen.

Um festzustellen, ob eine Selektion gegen einen Phänotyp stattfindet, berechnen die Wissenschaftler die Fitness jedes Phänotyps, die als relative Fitness oder "w" bezeichnet wird. Dies geschieht durch Multiplikation der Überlebensrate - d. h. des Anteils dieses Phänotyps, der überlebt - mit der Reproduktionsrate für jeden Phänotyp, d. h. der durchschnittlichen Wurfgröße pro Paarungssaison. Dann wird der Produktwert jedes Phänotyps durch den höchsten Produktwert unter den Phänotypen dividiert.

Sobald Wissenschaftler die relative Fitness kennen, können sie den Selektionskoeffizienten oder "s" berechnen, der die Stärke der Selektion gegen einen Phänotyp darstellt, indem sie die relative Fitness von 1 subtrahieren. Höhere Zahlen bedeuten eine stärkere Selektion gegen diesen individuellen Phänotyp. Wissenschaftler können Überlebens-, relative Fitness- und Selektionskoeffizienten verwenden, um herauszufinden, ob sich Populationen im Laufe der Zeit verändern könnten. So nahmen beispielsweise nach der industriellen Revolution das Überleben und die relative Fitness der hellen Pfeffermotten ab und der Selektionskoeffizient gegen sie nahm zu. Die Wirkung auf die Population der melanischen Nachtfalter war genau umgekehrt, da die Bedingungen für ihr Überleben günstig waren. Nach der Verabschiedung des Clean Air Act klärte sich der Ruß auf und die Überlebens-, Fitness- und Selektionskoeffizientenwerte für beide Phänotypen bewegten sich in entgegengesetzte Richtungen - was zeigt, dass die Selektion wieder die leichten Motten begünstigte.

Generell weist die Mehrzahl der biologischen Merkmale mit unterschiedlichen potentiellen Phänotypen eine Normalverteilung auf. Nehmen wir als Beispiel die Flecken auf dieser Gruppe von Marienkäfern. Wir können sehen, dass sie eine unterschiedliche Anzahl von Flecken von null bis 12 haben, aber der durchschnittliche Merkmalswert liegt in der Mitte - was als Normalverteilung bezeichnet wird, da die meisten Marienkäfer in dieser Population sechs Flecken haben. Die Höhe der Kurve gibt die Anzahl der Individuen in der Population an, die das gegebene Merkmal aufweisen. Stellen Sie sich nun vor, dass es eine Selektion gegen die Marienkäfer mit wenigen oder keinen Flecken gibt, weil sie weniger Wärme aufnehmen und bei kalten Temperaturen nicht so gut überleben. Dies wäre ein Beispiel für eine gerichtete Selektion, die Extremwerte eines Merkmals in eine Richtung begünstigt.

Um eine andere Art der Selektion zu verstehen, schauen wir uns Rotkehlchen an. Legt ein weibliches Rotkehlchen fünf oder mehr Eier in einem Gelege, steigt das Risiko einer Mangelernährung für die Küken. Wenn die Rotkehlchen jedoch drei oder weniger Eier legen, kann es sein, dass sie keinen lebensfähigen Nachwuchs haben. Hier bedeutet die stabilisierende Selektion also, ein Merkmal, die Größe des Geleges, aber einen optimalen Wert zu haben, von dem jede Abweichung nachteilig ist. Daher legen die meisten Rotkehlchen vier Eier.

In Westafrika brechen Großschnabel-Schwarzbauch-Samencrackerfinken mühelos größere harte Samen einer Art von Seggengras, während Kleinschnabelfinken mühelos manövrieren und die kleineren Samen einer anderen Seggenart brechen. Mittelschnabelfinken können beide Samen nicht so effizient öffnen und werden daher selten beobachtet. Diese Art der Selektion wird als disruptiv bezeichnet - wenn die Extreme eines Phänotyps optimal sind, wodurch eine bimodale Verteilung entsteht, die von der Normalen abweicht.

In dieser Übung modellieren Sie vier Populationsszenarien mit Pfeifenreinigern unterschiedlicher Farben und Längen, die unterschiedliche Phänotypen darstellen, und bestimmen dann die Art der Selektion, die in jedem Szenario auftritt.