Bedingungen für Biodiversität

Bakterien wie E. coli sind Anpassungskünstler - unter wechselnden Umweltbedingungen können sie schnell neue Typen evolvieren. Bild: Jürgen Berger/MPI für Entwicklungsbiologie<br>

Es gibt eine Reihe wichtiger bekannter Mechanismen, die das Überleben von Arten und somit den Erhalt von Biodiversität sichern können. Dazu gehören u.a. verschiedene Nahrungsnischen oder die territoriale Besiedelung. Ein weiterer Mechanismus ist offenbar die sogenannte zyklische Konkurrenz, wie Arne Traulsen vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön und Jens Christian Claussen von der Christian-Albrechts-Universität in Kiel bei ihren theoretischen Überlegungen und Berechnungen darlegen konnten, die sie nun in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters (8. Februar 2008, online publication) veröffentlicht haben.

Zyklische Beziehungen kann man am einfachsten am Beispiel des Fingerspiels „Stein-Schere-Papier“ erläutern: Stein schärft Schere, Schere schneidet Papier und Papier wickelt Stein ein – es gibt keine Strategie, die überlegen ist. In der Biologie gibt es so etwas auf ganz unterschiedlichen Ebenen, etwa bei bestimmten Leguanarten: Ein Typ von Leguanen etabliert große Territorien mit mehreren Weibchen. In diese Territorien können andere Leguane eindringen, die sich nicht an der Verteidigung beteiligen, aber mit den Weibchen paaren. In diesem Fall ist es von Vorteil, sich auf ein kleines Territorium mit nur einem Weibchen zu beschränken. Wenn so eine Strategie die Trittbrettfahrer verdrängt hat, dann wird es wieder vorteilhaft, alleine ein Territorium mit mehreren Weibchen zu verteidigen.

Ein weiteres Beispiel liefern drei Typen von Kolibakterien: Der ursprüngliche Bakterien-Typ wird durch eine Variante verdrängt, die ein Gift produziert, das der ursprüngliche Bakterien-Typ nicht verträgt. Wenn dieser aber ausgestorben ist, wird die Produktion des Giftes zur Ressourcenverschwendung. In diesem Fall kann sich jenes Bakterium durchsetzen, das resistent gegen das Gift ist, selber aber kein Gift mehr produziert. Gewinnt es die Oberhand, wird aber auch die Aufrechterhaltung der Resistenz sinnlos und der ursprüngliche Typ setzt sich wieder durch – der Kreislauf beginnt von vorne.

Das komplizierte Wechselspiel, wie sich die drei Varianten oder anders ausgedrückt drei unterschiedliche Strategien gegenseitig verdrängen und stabilisieren, wurde schon vor zwei Jahrzehnten erfolgreich durch die evolutionäre Spieltheorie beschrieben: Treffen zwei verschiedene Strategien aufeinander, so erhalten sie – in der Sprache der Spieltheorie – einen Spielgewinn, der ihre Fortpflanzungsrate erhöht. Die Sache hat jedoch einen kleinen Haken: Der Gewinn eines Spielers, der Schere zeigt, und der Verlust des anderen Spielers, der etwa Papier zeigt und somit verliert, addieren sich zu Null. „Das Fingerspiel „Stein-Schere-Papier“ ist ökonomisch gesprochen ein Nullsummenspiel“, erklärt Arne Traulsen vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön. „Aber in der Biologie ist das nur ein unnatürlicher Spezialfall“, so der Evolutionstheoretiker.

Verteilt man entsprechend den Regeln der evolutionären Spieltheorie die Punkte, so stellt man fest, dass bei den Kolibakterien die Interaktion zweier verschiedener Strategien in der Summe negativ ist, während bei den Leguanen eine positive Punktesumme zustande kommt – ein kleiner, aber feiner Unterschied. Und genau diesen haben Traulsen und sein Kollege Jens Christian Claussen von der Universität Kiel genauer analysiert. Die beiden Wissenschaftler konnten zeigen, unter welchen Bedingungen bei einer solch positiven Punktsumme die Koexistenz der Strategien möglich wird. Und sie haben exakt ausgerechnet, wie groß die Population mindestens sein muss: „Wenn die Populationen groß genug sind, dann ist die räumliche Ausdehnung des Lebensraumes unwichtig“, sagt Traulsen. Sinkt die Populationsgröße aber unter eine kritische Grenze, dann sterben zwei der drei Arten in kurzer Zeit aus.

Für negative Punktsummen steigt das Risiko des Aussterbens bei Einschränkung des Lebensraumes stark an. „Wenn wir über das Risiko von Artensterben nachdenken, dann ist es also nicht nur wichtig, Lebensräume zu erhalten, sondern auch die Interaktion zwischen den Spezies genau zu verstehen“, so der Max-Planck-Forscher. Neben den wichtigsten bekannten Mechanismen, die das Überleben von Arten und somit den Erhalt von Biodiversität sichern – wie z.B. Nahrungsnischen sowie territoriale Besiedelung – kann also auch noch die zyklische Konkurrenz treten, zumindest wenn die Interaktionen in der Summe einen positiven Einfluss haben.

[AT/CB]

Originalveröffentlichung:

Jens Christian Claussen and Arne Traulsen
Cyclic Dominance and Biodiversity in Well-Mixed Populations
Physical Review Letters, Vol. 100, http://prl.aps.org/

Media Contact

Dr. Bernd Wirsing Max-Planck-Gesellschaft

Weitere Informationen:

http://www.mpg.de

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