Facharbeit by Lukas Henning

Selektion und ihre Auswirkung auf geschlossene Ökosysteme Facharbeit NwT - Lukas Henning 11b - Ökosystem-Simulation

Vorwort

Was genau ist Selektion eigentlich?

2.1 Natürliche Selektion

2.2 Sexuelle Selektion

2.3 Künstliche Selektion

Welche Auswirkungen haben Ökosystem und Selektion aufeinander?

3.1 Evolutionsfaktoren

3.2 Evolutionäre Sukzession

Nachwort

Quellen

1. Vorwort Der Begriff Selektion gehört schon zur Evolutionslehre seit Charles Darwin sie im Jahr 1859 zum ersten Mal vorgestellt hatte. Die Selektion ist eine der zentralen Prinzipien dieser Theorie und hat selbst heute nichts oder nur wenig von ihrer Glaubhaftigkeit eingebüßt, auch wenn die Forschung nicht nur auf dem Gebiet der Genetik seither riesenhafte Fortschritte gemacht hat. Ein anderes Themenfeld der Biologie, das vor allem in jüngerer Vergangenheit besonders an Aufmerksamkeit erlangt hat ist dazu auch die Ökologie. Das erforschen und verstehen der Ökosysteme, die wir überall auf der Welt antreffen, wo es Leben gibt ist von zentralem Interesse in einer Zeit, in der wir Menschen begreifen, dass unser Handeln inzwischen so folgenreich auf unseren Planeten ist, dass unsere Zukunft als gefährdet betrachtet werden muss. Davon abgesehen realisiert die Wissenschaft mit der 1

Zeit auch, dass langfristiges Leben im All nicht auf rein technische Weise ermöglicht werden kann, tief gehende Kenntnisse über die Funktionsweisen und Eigenarten geschlossener Ökosysteme sind erforderlich. Verbindet man diese zwei Themen, kommt man recht schnell zu der Fragestellung: Wie wirkt das Prinzip der Selektion auf die Abläufe und Begebenheiten innerhalb eines geschlossenen Ökosystems? ...und auf diese Fragestellung möchte ich mit meiner Facharbeit etwas genauer eingehen.

2. Was genau ist Selektion eigentlich? Selektion wird zunächst in drei Unterbegriffe unterteilt: • Natürliche Selektion • Sexuelle Selektion • Künstliche Selektion 2.1 Natürliche Selektion Die natürliche Selektion basiert auf dem „Überleben des Stärksten“. Individuen (einzelne Organismen), deren Merkmale besonders gut zum Überleben in einem bestimmten Ökosystem, kommen eher dazu, zu überleben und somit auch dazu, sich fortzupflanzen. Durch die Fortpflanzung werden die spezifischen Merkmale der Eltern an den Nachwuchs weitergegeben, wodurch sich über lange Zeiträume hinweg bestimmte Merkmale in den Arten ausprägen während andere zurückgehen. Dass Merkmale dabei mit neuen Generationen verschieden stark ausgeprägt sein können, liegt daran, dass sich der genetische Code der entstehenden Organismen stets durch geringe Abweichungen von denen der Vorgängergenerationen unterscheidet, die (nach momentanem Verständnis) mehr oder weniger zufällig zu Stande kommen. Der Fortpflanzungserfolg eines Individuums hat dabei einen Namen: Fitness. Auf die Fitness haben sog. Evolutionsfaktoren Einfluss. Sie können wie auch Ökofaktoren biotisch oder abiotisch sein und sie bestimmen, wie die Evolution einer Art verläuft. Die Evolutionsfaktoren sind besonders im speziellen Kontext dieser Arbeit von enormer Wichtigkeit, deswegen werden sie in einem späteren Teil genauer behandelt werden... (siehe: 3.1. Evolutionsfaktoren) Den Begriff der natürlichen Selektion erwähnte bereits Darwin, als er die Evolutionslehre vor knapp 150 Jahren begründete.

2.2 Sexuelle Selektion Bei der sexuellen Selektion betrachtet man, dass Individuen ihre möglichen Geschlechtspartner nach bestimmten Merkmalen beurteilen und sich schließlich den Partner für die Fortpflanzung aussuchen, dessen Merkmale besonders vorteilhaft erscheinen. So steigen die Chancen bestimmter Merkmale, durch Fortpflanzung weitergegeben zu werden. Diese Art der Selektion tritt erst ab einer gewissen Intelligenz unter den Individuen auf, schließlich muss überhaupt erst einmal zwischen gewissen Merkmalen unterschieden und ein Hang zu ihnen entwickelt werden, dass sie auftreten kann. Sexuelle Selektion ist in sofern besonders interessant, als dass sie fließend in Fächer wie die Verhaltensforschung und schließlich auch in die Psycho- und Soziologie übergeht. So kann man sogar schon so weit gehen, dass selbst in unserer Gesellschaft sexuelle Selektion eine zentrale Rolle in der Partnerwahl spielt, aber auch auf neue Art und Weise durch gewisse Normen und Regeln gebrochen werden kann und sich Merkmale langsam fortentwickeln, die speziell in unserer Gesellschaft eine Rolle spielen. Zum Beispiel könnten Männer mit den psychologischen Anlagen dazu, finanziellen Erfolg zu haben, leichter Partnerinnen finden, sich vermehrt fortpflanzen und somit auch langsam Teile ihrer Anlagen weitergeben; dagegen könnte die Anlage, eindrucksvoll in Bäumen zu klettern und laut Brüllen zu können langsam an Bedeutung in der Partnerfindung verlieren und somit auch langsam aber stetig zurückgebildet werden. In der Tier- und Pflanzenwelt kann die sexuelle Selektion auch viele interessante und teils bizarre Formen annehmen, so findet zwischen Blütenpflanzen aufgrund der bestäubenden Bienen eine Art „indirekte Selektion“ statt. Die Bienen entscheiden für die Pflanzen, welche Blüten am verlockendsten riechen und aussehen und betreiben somit „für sie“ die Selektion, indem sie gezielt bestimmte Individuen zuerst und verstärkt ansteuern.

2.3 Künstliche Selektion Künstliche Selektion betreibt der Mensch, in dem er gewisse Tier- und Pflanzenarten gezielt züchtet oder auch vernichtet. So entwickeln sich mit der Zeit Kulturpflanzen, die Merkmale besitzen, die den Menschen besonders nützlich sind. Man entwickelt besonders „hübsche“ Blumen, besonders obstreiche Bäume, besonders schnell wachsendes Gemüse durch stetiges kreuzen und kultivieren bestimmter Arten. Ob die unterstützten Eigenschaften Vorteile beim Überleben in natürlichen Ökosystemen mit sich bringen, kann dabei angezweifelt werden. Die künstliche Selektion ist durch den gezielten Eingriff des Menschen die am schnellsten ablaufende Selektion. 3

Die Auswirkungen natürlicher Selektion auf unsere Umwelt sind für uns Menschen so gut wie allgegenwärtig; so ist z.B. erwiesen, dass bis vor 300 Jahren noch viele Dutzende von Apfelbaumsorten bekannt waren, wobei ein Großteil der alten Sorten eher saure, kleine, unförmige oder verstärkt Schädlingsbefallene Äpfel hervorbrachten. Mit der Zeit entwickelte man eine begrenzte Zahl an modernen Sorten und vernachlässigte die alten, wodurch sich die neuen verbreiten konnten und die alten verdrängten. Heute sind deswegen nur noch wenige Bäume der alten Sorten in Gärten und Feldern anzutreffen.

3. Welche Auswirkungen haben Ökosystem und Selektion aufeinander? 3.1 Evolutionsfaktoren

... die Auswirkungen von Ökosystemen auf die Evolution der Arten...

Evolutionsfaktoren sind der Schlüsselbegriff zu den Auswirkungen von Ökosystemen auf die Selektion, die Evolution von Arten. Man unterscheidet zwischen zwei Typen von Evolutionsfaktoren:

Solche Evolutionsfaktoren bestimmen, welche spezifischen Merkmale von Individuen und damit auch ganzen Arten verlangt werden, um innerhalb des Ökosystems zu bestehen und erfolgreich zu sein. Beispiele für Anpassungen von Arten auf die sie betreffenden Evolutionsfaktoren findet man wirklich überall in der Natur, wobei manche uns Menschen besonders erstaunen und faszinieren können:

So haben sich auf den Kerguelen, einer Inselgruppe im südöstlichen Indischen Ozean, auf denen ein beständiger und starker Wind weht, Fliegen mit auf das Mindestmaß zurückgebildeten Flügeln entwickelt, weil sie mit größeren Flügeln nur vom Wind weggeweht würden.

Ein weiteres klassisches Beispiel sind auch Darwins „Galapagosfinken“, die von verschiedenen Teilen des Galapagosarchipels stammen und deren Schnabelformen sich mit der Zeit perfekt an ihre dortigen Fressgewohnheiten (z.B. das Verspeisen von Kaktusfeigen) angepasst haben.

3.2 Evolutionäre Sukzession

... die Auswirkungen von Selektion und Evolution auf (geschlossene) Ökosysteme...

Mit der Auswirkung von Evolutionsfaktoren auf die Arten geht auch eine längerfristige, langsam ablaufende Sukzession, also eine Abfolge ineinander übergehender Pflanzenund Tiergesellschaften einher. Das heißt: Wenn sich z.B. Merkmale in einer Raubtierpopulation innerhalb eines Ökosystems verstärkt ausprägen, die das Jagen und Erlegen bestimmter Beutetiere erleichtern, fängt diese Raubtierpopulation an, etwas an ökologischem Gewicht im großen Mosaik der Gesellschaften innerhalb des Ökosystems zu gewinnen während die Population der bestimmten Beutetiere abnimmt. Diese Entwicklung ist auf die Summe der Evolutionsfaktoren, die auf die Beutetiere des Systems wirken aufzulegen; mit der Zeit werden sich wahrscheinlich Merkmale in der Beutetierpopulation stärker ausprägen, die den Raubtieren das Erlegen ihrer Beute erschweren und somit wieder die Verteilung des ökologischen Gewichts etwas von der Raubtiergesellschaft wegbewegen und einen stärkeren Zuwachs der Beutetierpopulation mit sich ziehen. Solche Abläufe sind der Grund für faszinierende und uns Menschen teils skurril erscheinende Eigenarten, die die Arten mit der Zeit entwickelt haben; z.B. das hell-dunkle Streifenmuster des Tigers, das sich als effektive Tarnung im Grasland erweist, wo der Tiger bevorzugt Jagd.

Betrachtet man nun den Verlauf der Gesamtsituation innerhalb eines geschlossenen Ökosystems über lange Zeiträume hinweg, macht sich diese „Evolutionäre Sukzession“ als ein lang- aber bedeutsamer Prozess deutlich. 5

Während bei der allgemeinen Sukzession durch Ereignisse wie z.B. Waldbrände, Ausbreitung von Krankheiten oder Überschwemmungen in Teilen des Biotops eher kurzfristige Folgen haben (Betrachtet man z.B. einen Wald, der durch einen Waldbrand vollständig vernichtet wurde, merkt man, Geschlossenes dass schon 1-2 Jahre nach dem Brand verstärkt das Grünen Ökosystem: beginnt und sich erneut Tierarten ansiedeln können) , die das Ökosystem ohne Mosaik der Populationen im Ökosystem stetig verzerren und neu jeglichen anordnen. Manche Arten gewinnen nach bestimmten Vorfällen an Stoffaustausch von Präsenz, andere gehen an dieser Stelle zurück. oder nach außen. Ein Beispiel wäre z.B. das Stürzen eines toten Baumes im Wald. Um den Baumstamm bildet sich sofort eine „Ungleichgewichtsinsel“, in der bestimmte Destruenten für einen gewissen Zeitraum besonders präsent sind. Nach diesem Zeitraum ist aufgrund des mit Nährstoffen angereicherten Bodens an dieser Stelle ein verstärktes Auftreten bestimmter Pflanzensorten in der „Ungleichgewichtsinsel“ zu beobachten, was wiederum Folgen auf den weiteren Verlauf der Entwicklung des Systems an dieser Stelle und allgemein hat. Durch die natürliche Selektion unter den Arten in einem geschlossenen Ökosystem finden ähnliche Wechselvorgänge statt, jedoch nicht über wenige Jahre hinweg, viel eher über Jahrzehnte und Jahrhunderte. Dass sich gewisse Merkmale innerhalb einer Art herausbilden erfolgt über viele Generationen hinweg, durch ständige, winzige Mutationen, Veränderungen des genetischen Codes der Individuen. Dass die Selektion in der Natur allgegenwärtig ist und ständig stattfindet ist dabei absolut wichtig für die Erhaltung des Gleichgewichts im Ökosystem. Das fortwährende Wechselspiel der übergeordneten Präsenz zwischen den Arten im Ökosystem verhindert, dass eine Art zufälligerweise übermächtig wird, andere irgendwann dadurch aussterben und das Gleichgewicht des Ökosystems damit aus den Fugen gerät und es zusammenfällt. Kurzum: Die ständige Selektion, die allen Arten eines Ökosystems Anpassung ermöglicht, verleiht ihm Elastizität und verhindert den endgültigen Zerfall aller bestehenden Strukturen. Interessant: Der Mensch ist dabei der erste bekannte Fall, bei dem die Sukzession in gewisser Weise versagt hat. Durch die enorme Entwicklung seiner Intelligenz und der entstandenen Kultur ist unsere Art so übermächtig geworden, dass unter unserem Handeln im gesamten geschlossenen Ökosystem Erde täglich Tier- und Pflanzenarten aussterben und selbst das Klima sich aufgrund unseren Handelns verstärkt wandelt. Die Selektion hat in diesem Fall fatale Auswirkungen auf das Ökosystem Erde.

4. Nachwort Im Nachwort möchte ich etwas darauf eingehen, wie ich dieses Thema in meinem laufenden Projekt „Computerbasierte-Ökosystem-Simulation“ umsetzen werde. Mir war bei der Planung wichtig, die drei Programmbestandteile, die für die Simulation von (natürlicher) Selektion notwendig sind einzuarbeiten: • Absterben von Organismen bei Misserfolg im System • Fortpflanzung und Weitergabe bestimmter Anlagen und Eigenschaften (in verstärktem Maße bei Erfolg im Ökosystem) • Zufallsbedingte, minimale Änderungen der genetischen Anlagen und Eigenschaften (Mutation). Mit diesen drei Simulationsbestandteilen dürfte schon eine stark vereinfachte und abstrakte, aber prinziptreue Simulation der Selektion (und der evolutionären Sukzession) im geschlossenen Ökosystem möglich sein. Um das Programm für den Benutzer interessanter und für Forschungszwecke praktischer zu gestalten, habe ich aber auch Funktionen eingeplant, die in gewissem (extremem) Maße die künstliche Selektion ermöglichen: Der Benutzer kann zu jedem Zeitpunkt jede Anlage und Eigenschaft jedes Individuums nach belieben verändern und Individuen frei nach Wahl aus der Simulation entfernen oder zu ihr hinzufügen. Wie realitätsnah das Programm schlussendlich wird, stellt sich wohl erst heraus, wenn es fertig und benutzbar ist; dass das Experimentieren damit (zumindest für mich) interessant wird, ist dafür schon ziemlich sicher. Ich habe sogar schon das Gefühl, dass mein Programm zum Ende hin vor allem als „Evolutionssimulator“ und weniger als „Ökosystemssimulator“ Interesse finden könnte; in sofern hat sich meine eigene Auffassung davon jedenfalls gewandelt. Lukas Henning, 11.05.09

5. Quellen Informationsquellen: • Cornelsen: „Ökologie“; Auflage 1; S.80 „Vielfalt, Stabilität, Gleichgewicht“ • Deutsche und (umfassendere aber tiefergehende) englische Wikipedia: • Selection • Types and Subtypes • Mechanisms of Selection • Evolutionsfaktor • Selektion • Charles Darwin • (Ecosystem) • (Ecosystem Dynamics) • webmic.de/evolutionsfaktoren.htm • „Sind Mutation nicht meist nachteilig?“ - Beispiele Medienquellen: • Cornelsen: „Ökologie“; Auflage 1; S.81 - Sukzessionsdiagramm • „Wikimedia - Database“ zu den gelisteten Artikeln • biologieunterricht.info • unterrichtsmaterialien/fliegen_selektion/