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30.1: Was ist eine Art?
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What is a Species?
 
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30.1: What is a Species?

30.1: Was ist eine Art?

Overview

A species is a group of organisms that interbreed and produce fertile offspring. Typically, individuals of the same species appear similar and share common characteristics due to their highly similar genomes. However, not all organisms that look alike are members of the same species. Various mechanisms keep most species discrete. While some mechanisms prevent reproductive behavior and fertilization (pre-zygotic isolation), others prevent the production of fertile offspring after mating has occurred (post-zygotic isolation).

The Appearance of a Species

Although individuals of a single species typically look very similar, variation in coloration or morphology is not uncommon. For example, the common wall lizard, Podarcis muralis has six distinct morphs which vary by the color of their throat and underbelly.

Conversely, the monarch and viceroy butterflies are two genetically distinct species that appear similar, inhabit common habitats, and are both unpalatable to predators. This is an evolutionary strategy known as Müllerian mimicry—the species share warning signals, such as their bright orange and black appearance to educate common predators more effectively of their toxicity.

Pre-zygotic Isolation

Phenomena that prevent mating or fertilization from occurring are referred to as pre-zygotic isolation mechanisms. Geographic isolation and ecological isolation are two examples of environmental barriers. In the case of geographic isolation, two bird species might live in different forests on either side of an impassable mountain range; ecological isolation could be one insect species living solely in the treetops while another inhabits the soil.

There may also be behavioral reasons a species remains isolated. Examples are differences in mating rituals or communication, like birds-of-paradise, where males of different species have novel dances to attract female conspecifics. In temporal isolation species are kept apart by different timing of daily routines or breeding seasons. For example, the red-legged frog Rana aurora has a breeding season from January to March, but its close relative the yellow-legged frog, Rana boylii, breeds from late March through May.

The physical characteristics of different species may isolate them pre-zygotically. Insects can display an array of different genital morphologies that means they can only physically mate with members of their species—referred to as mechanical isolation. Finally, prevention of gamete fusion is often the last pre-zygotic barrier which may be controlled by mechanisms like the prevention of pollen tube growth in plants, or an inability to physically fuse with or penetrate the outer layers of an egg cell.

Post-Zygotic Isolation

When individuals of different species overcome pre-zygotic isolation, post-zygotic isolation can prevent the resulting offspring from either surviving or reproducing. In some cases, a zygote may be formed but the embryo is not viable because of incompatible genetic material and thus dies. This is referred to as hybrid inviability.

However, some hybrid embryos may survive to reach fertility. For instance, horses and donkeys can be crossed to produce hinnies or mules. But because horses and donkeys have different chromosome numbers (64 and 62, respectively), their hybrid offspring have an odd number of chromosomes (63) that cannot be sorted equally into gametes, rending the hybrids infertile. This post-zygotic barrier is also observed in crosses between zebras and horses or donkeys crosses.

In cases where hybrids can survive to adulthood and copulate, non-genetic factors can prevent procreation. Hybrids of the sister species Drosophila pavani and D. gaucha produce viable gametes. However, the hybrids are unable to create offspring: the sperm of hybrid males cannot survive in the female semen receptors of either parent species or another hybrid, nor is the sperm of either parent line able to survive in a hybrid female.

Other instances of post-zygotic factors may affect the viability of hybrids. Hybrid genomes contain material from two truly distinct species and can, therefore, harbor different genes and chromosomes that do not act harmoniously in the offspring, resulting in obvious fitness costs. Plants are an exception in some cases. Overall, pre- and post-zygotic isolation mechanisms cause most species to remain distinct.

Überblick

Eine Art ist eine Gruppe von Organismen, die sich miteinander kreuzen und fruchtbare Nachkommen produzieren. Typischerweise sehen Individuen derselben Art ähnlich aus und haben aufgrund ihrer sehr ähnlichen Genome gemeinsame Merkmale. Allerdings sind nicht alle Organismen, die gleich aussehen, Mitglieder derselben Art. Verschiedene Mechanismen halten die meisten Arten getrennt voneinander. Während einige Mechanismen das Fortpflanzungsverhalten und die Befruchtung verhindern (präzygotische Isolierung), verhindern andere die Erzeugung fruchtbarer Nachkommen nach der Paarung (postzygotische Isolierung).

Das Erscheinungsbild einer Art

Obwohl sich die Individuen einer einzigen Art in der Regel sehr ähnlich sehen, sind Variationen in der Färbung oder Morphologie nicht ungewöhnlich. Zum Beispiel hat die Mauereidechse, Podarcis muralis, sechs verschiedene Morphologien, die sich durch die Farbe ihres Rachens und ihres Unterbauchs unterscheiden.

Im Gegensatz dazu sind der Monarch -und der Limenitis archippus-Schmetterling zwei genetisch unterschiedliche Arten, die ähnlich aussehen, gemeinsame Lebensräume bewohnen und beide für Raubtiere ungenießbar sind. Dies ist eine evolutionäre Strategie, die als Müllersch'es Mimikry bekannt ist. Die Arten teilen sich Warnsignale, wie z.B. ihr leuchtend orangefarbenes und schwarzes Aussehen, um gemeinsame Raubtiere besser über ihre Toxizität aufzuklären.

Präzygotische Isolierung

Man bezeichnet Phänomene, die das Auftreten von Paarung oder Befruchtung verhindern, als präzygotische Isolationsmechanismen. Geographische Isolation und ökologische Isolation sind zwei Beispiele für Umweltbarrieren. Im Falle einer geographischen Isolation könnten zwei Vogelarten in verschiedenen Wäldern auf beiden Seiten eines unwegsamen Gebirgszuges leben; ökologische Isolation könnte eine Insektenart sein, die nur in den Baumkronen lebt, während eine andere den Boden bewohnt.

Es kann auch verhaltensbedingte Gründe dafür geben, dass eine Art isoliert bleibt. Beispiele dafür sind Unterschiede in Paarungsritualen oder Kommunikation, wie z.B. bei Paradevögeln, bei denen Männchen verschiedener Arten neuartige Tänze ausführen, um weibliche Artgenossen anzulocken. In zeitlicher Isolation werden Arten durch unterschiedliche Zeitpunkte der täglichen Routine oder der Brutzeit getrennt gehalten. Zum Beispiel hat der Rotfußfrosch Rana aurora eine Brutzeit von Januar bis März, während sein naher Verwandter, der Gelbfußfrosch, Rana boylii, von Ende März bis Mai brütet.

Die physikalischen Merkmale der verschiedenen Arten können sie präzygotisch isolieren. Insekten können zahlreiche verschiedene Genitalmorphologien aufweisen, was bedeutet, dass sie sich nur mit Mitgliedern ihrer Spezies physisch paaren könnendies wird als mechanische Isolation bezeichnet. Schließlich ist die Verhinderung der Gametenfusion oft die letzte präzygotische Barriere, die durch Mechanismen wie die Verhinderung des Pollenschlauchwachstums bei Pflanzen oder die Unfähigkeit, mit den äußeren Schichten einer Eizelle physisch zu verschmelzen oder sie zu durchdringen, kontrolliert werden kann.

Post-zygotische Isolierung

Wenn Individuen verschiedener Arten die präzygotische Isolation überwinden, kann die postzygotische Isolation verhindern, dass die entstehenden Nachkommen entweder überleben oder sich fortpflanzen. In einigen Fällen kann eine Zygote gebildet werden, der Embryo ist jedoch wegen inkompatiblen genetischen Materials nicht lebensfähig und stirbt daher ab. Dies wird als hybride Lebensunfähigkeit bezeichnet.

Es kann jedoch vorkommen, dass einige Hybridembryonen überleben, bis sie die Fruchtbarkeit erreichen. Zum Beispiel können Pferde und Esel gekreuzt werden, aus denen Maultiere oder Maultiere entstehen. Da aber Pferde und Esel unterschiedliche Chromosomenzahlen haben (64 bzw. 62), haben ihre Hybridnachkommen eine ungerade Anzahl von Chromosomen (63), die nicht gleichmäßig in Gameten aufgeteilt werden können, was die Hybriden unfruchtbar macht. Diese postzygotische Barriere wird auch bei Kreuzungen zwischen Zebras und Pferden oder Eseln beobachtet.

In Fällen, in denen Hybriden bis zum Erwachsenenalter überleben und sich paaren können, können nicht-genetische Faktoren die Fortpflanzung verhindern. Hybriden der Schwesterarten Drosophila pavani und D. gaucha produzieren lebensfähige Gameten. Die Hybriden sind jedoch nicht in der Lage, Nachkommen zu zeugen: Die Spermien von männlichen Hybriden können weder in den weiblichen Samenrezeptoren der Elternspezies noch in denen einer anderen Hybride überleben, noch sind die Spermien beider Elternlinien in einem weiblichen Hybrid überlebensfähig.

Andere Formen postzygotischer Faktoren können die Lebensfähigkeit von Hybriden ebenfalls beeinflussen. Hybridgenome enthalten Material von zwei wirklich unterschiedlichen Arten und können daher unterschiedliche Gene und Chromosomen enthalten, die bei den Nachkommen nicht harmonisch wirken, was zu offensichtlichen Nachteilen in ihrer Fitness führt. Pflanzen sind in einigen Fällen eine Ausnahme. Insgesamt führen prä-und postzygotische Isolationsmechanismen dazu, dass Arten in den meisten Fällen voneinander getrennt bleiben.


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