Fragmentierung von Populationen: Ursachen und Folgen

Arten leben in einer sich zeitlich und räumlich verändernden Umwelt. Dennoch beachten die meisten theoretischen Ansätze der evolutionären Anpassung von Arten an zeitlich variable Umgebungen diese räumliche Komponente nicht. Dies liegt einerseits daran, dass diese Problemstellungen formal schwieriger zu behandeln sind und andererseits daran, dass oft angenommen wird, dass räumliche Strukturen nur unser Verständnis wichtiger Prozesse in der Evolution verdecken. Räumliche Dimensionen müssen aber berücksichtigt werden bei der Untersuchung, wie sich die Verbreitungsgebiete von Arten im Laufe der Zeit ändern. In Reaktion auf Umweltbedingungen kann sich das Verbreitungsgebiet von Spezies räumlich verschieben, wachsen, schrumpfen, oder fragmentieren. Kürzlich habe ich gezeigt, dass die räumliche Verbreitung einer Art plötzlich fragmentieren kann, auch wenn sich die Umweltbedingungen nur kontinuierlich über die Zeit ändern. Dies ist ein noch nicht untersuchtes, aber potentiell sehr wichtiges Phänomen. Eine räumlich fragmentierte Artenverbreitung wird oft beobachtet, wird aber typischerweise den ortsgebundenen Lebensgewohnheiten dieser Spezies oder der fragmentierten Verbreitung von deren Wirtsspezies zugeschrieben. Ich konnte zeigen, dass dies dynamisch auftreten kann, verursacht durch ein Scheitern, sich kontinuierlich ändernden Bedingungen anzupassen. Als Konsequenz kann ein abrupter Verlust der genetischen Diversität innerhalb dieser Art und eine dramatische Reduktion der Populationsgröße beobachtet werden. Daher kann Fragmentierung die Wahrscheinlichkeit des Aussterbens einer Art erhöhen. Zusätzlich wird eine solche Fragmentierung wahrscheinlicher, je schneller sich die Bedingungen über die Zeit ändern. Dies kann schwerwiegende Konsequenzen auf die Biodiversität haben, die in einem zunehmenden Ausmaß Umweltveränderungen ausgesetzt ist. Unter Verwendung einer Kombination analytischer und numerischer Ansätze schlage ich vor, zuerst die relative Beteiligung der vielen Faktoren, die die komplexe evolutionäre Dynamik einer einzigen Spezies antreiben, zu untersuchen. Das Hauptziel ist die Entwicklung einer allgemeingültigen, robusten Theorie der Dynamik von Artenausbreitung, die in der Natur getestet werden kann. Durch die Bestimmung dieser kausalen Parameter können wir die Anfälligkeit einer Spezies für Ausrottung untersuchen und passende Strategien zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit dieser Art angesichts sich verändernder Umweltbedingungen vorschlagen.

Es besteht ein dringender Bedarf an realistischen Vorhersagen über evolutionäre und ökologische Reaktionen auf sich verändernde Umwelten, insbesondere in Zeiten eines beschleunigten Klimawandels. Die derzeitigen Vorhersagen beruhen jedoch auf Theorien, die wichtige ökoevolutionäre Rückkopplungen vernachlässigen, wie z. B. die Auswirkungen abnehmender Populationsgrößen und den Verlust genetischer Variation, wodurch der Nutzen dieser Vorhersagen eingeschränkt wird. Um die benötigte Realitätsnähe zu erreichen, ist eine Vorhersagetheorie erforderlich, die die Rückkopplung zwischen Ökologie und Evolution einbezieht und gleichzeitig Veränderungen der genetischen Varianz aufgrund von Selektion, Mutation, Dispersal und genetischer Drift berücksichtigt. In der Hauptstudie dieses Projekts habe ich gezeigt, dass die Einbeziehung dieser öko-evolutionären Rückkopplung die theoretischen Vorhersagen grundlegend verändert. Insbesondere können Selektion, genetische Drift und Populationsgrößendynamik zusammenwirken und zu einem Kipppunkt führen, an dem die genetische Drift plötzlich die Selektion überwältigt. Jenseits dieser Schwelle wird die adaptive genetische Varianz erschöpft, und das Verbreitungsgebiet der Art schrumpft oder fragmentiert. Nach der Fragmentierung ist die Fähigkeit der Art, sich an weitere Umweltveränderungen anzupassen, aufgrund der verringerten Varianz und der erhöhten demografischen Instabilität stark beeinträchtigt, was die Wahrscheinlichkeit des Aussterbens der Art erhöht. Diese Theorie bildet die theoretische Grundlage für die Integration der Evolution mit der Populationsstruktur und -dynamik, wobei die Rolle der lokalen Ausbreitung bei der Aufrechterhaltung der adaptiven genetischen Varianz und beim Entgegenwirken der genetischen Drift hervorgehoben wird. Die von dieser Theorie identifizierten Kernparameter sind messbar und eröffnen Wege für quantitative Tests der Theorie sowie für reale Anwendungen wie die Widerstandsfähigkeit von Arten im Zuge des Klimawandels.