Eco-evolutionary feedbacks generate bistability in population persistence under gradual environmental change

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der das Klima langsam immer heißer wird, die Jahreszeiten sich verschieben und die perfekten Bedingungen für das Leben ständig in Bewegung sind. Dies ist die Realität, der viele Arten heute gegenüberstehen. In den wissenschaftlichen Fachbereichen der Ökologie und Evolutionsbiologie sind Forscher von einer einzigen, hochriskanten Frage besessen: Kann eine Population schnell genug evolvieren, um mit diesen Veränderungen Schritt zu halten, oder wird sie einfach keine Zeit mehr haben und aussterben?

Um die Antwort zu verstehen, müssen wir uns drei bewegliche Teile ansehen. Erstens gibt es die Umwelt, die wie ein bewegliches Ziel ist, das ständig seinen Ort verändert. Zweitens gibt es die Population, eine Gruppe von Lebewesen, die versucht zu überleben. Drittens gibt es die Evolution, den Prozess, bei dem sich die Merkmale der Population (wie Körpergröße oder Hitzetoleranz) ändern, um sich an dieses bewegliche Ziel anzupassen. Wenn die Population sich schnell genug anpassen kann, überlebt sie. Wenn sie zu weit zurückfällt, stirbt sie aus. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass es eine einfache „Geschwindigkeitsbegrenzung“ für den Umweltwandel gab: Solange sich die Umwelt nicht schneller als diese Grenze veränderte, wäre die Population sicher, vorausgesetzt, sie hätte genug Zeit, um aufzuholen.

Doch eine neue Studie deutet darauf hin, dass die Geschichte etwas komplizierter und viel dramatischer ist. Es stellt sich heraus, dass eine Population selbst dann zusammenbrechen und untergehen kann, wenn sich die Umwelt theoretisch langsam genug verändert, um das Überleben zu ermöglichen. Warum? Wegen einer tückischen Rückkopplungsschleife zwischen der Anzahl der verbleibenden Individuen, ihrer genetischen Vielfalt und dem Grad ihres Rückstands. Die Forscher fanden heraus, dass das Schicksal einer Population nicht nur von der Geschwindigkeit der Veränderung abhängt, sondern auch davon, wo sie startete. Eine kleine Gruppe mit geringer genetischer Vielfalt könnte in das Aussterben stürzen, selbst wenn eine größere, vielfältigere Gruppe unter exakt denselben Bedingungen überlebt hätte. Es ist ein Rennen, bei dem die Startlinie genauso wichtig ist wie die Ziellinie.

---

Das Rennen gegen eine bewegliche Ziellinie

Stellen Sie sich vor, Sie laufen ein Rennen, aber die Ziellinie steht nicht still. Sie befindet sich auf einem Laufband, das langsam schneller wird. Um zu gewinnen, müssen Sie immer schneller laufen, um Schritt zu halten. In dieser Arbeit sind die „Läufer“ Populationen von Organismen und das „Laufband“ ist die sich verändernde Umwelt.

Jahrelang glaubten Wissenschaftler, wenn das Laufband nicht zu schnell werden würde, fänden die Läufer schließlich ein angenehmes Tempo und würden ewig weiterlaufen. Sie dachten, es gäbe eine spezifische „kritische Geschwindigkeit“ für das Laufband. Wenn das Laufband langsamer als diese Geschwindigkeit lief, wäre jeder sicher. Wenn es schneller lief, wäre jeder verloren.

Die Autoren dieser Studie, Kuangyi Xu und Hao Shen, beschlossen jedoch, genauer auf die Beine und das Energieniveau der Läufer zu schauen. Sie bauten ein mathematisches Modell (eine Computersimulation), um drei Dinge gleichzeitig zu verfolgen: wie groß die Population ist, wie viel genetische Vielfalt sie besitzt und wie weit sie hinter der Ziellinie zurückliegt.

Sie entdeckten etwas Überraschendes: Nur weil das Laufband langsam genug ist, um einen Sieg zu ermöglichen, bedeutet das nicht, dass die Läufer auch gewinnen werden.

Die Falle des „Aussterbe-Vortex“

Die Arbeit offenbart ein Phänomen namens Bistabilität. In einfachen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass es für dasselbe Rennen zwei mögliche Ausgänge gibt, die völlig davon abhängen, wie die Läufer starten.

Stellen Sie sich zwei Gruppen von Läufern vor, die vor demselben langsam laufenden Laufband stehen.

• Gruppe A startet mit einer riesigen Menge an Menschen und vielen verschiedenen Laufstilen (hohe genetische Variation). Sie sind nah an der Ziellinie. Sie passen ihr Tempo an, finden einen Rhythmus und überleben.
• Gruppe B startet mit einer winzigen Menge an Menschen und sehr wenigen verschiedenen Laufstilen. Sie sind ebenfalls hinter der Ziellinie.

Hier liegt der Clou: Obwohl das Laufband sich langsam genug bewegt, damit Gruppe B theoretisch aufholen könnte, könnten sie dennoch verlieren. Warum? Weil sie klein und langsam in der Anpassung sind. Während sie versuchen Schritt zu halten, fallen sie immer weiter zurück. Das Zurückfallen macht sie weniger leistungsfähig, was wiederum dazu führt, dass ihre Zahl weiter sinkt. Eine kleinere Population bedeutet, dass sie noch mehr genetische Vielfalt verlieren (so als würde man aus seinem Inventar verschiedene Laufschuhe verlieren). Mit weniger Optionen können sie sich nicht schnell genug anpassen, sie fallen noch weiter zurück und schrumpfen so lange, bis sie verschwinden.

Die Autoren nennen dies einen „Aussterbe-Vortex“ (Extinction Vortex). Es ist ein Strudel, in dem das Kleinsein und das Langsamsein dazu führen, dass man immer kleiner und langsamer wird, bis nichts mehr übrig ist.

Die Illusion des „vorübergehenden Boosts“

Einer der spielerischsten und verwirrendsten Teile dieser Entdeckung ist, dass man dem, was man kurzfristig sieht, nicht immer trauen kann. Die Arbeit zeigt, dass eine Population den Anschein erwecken kann, sich zu erholen, während sie in Wirklichkeit bereits zum Untergang verurteilt ist, oder den Anschein erwecken kann, auszusterben, während sie eigentlich überleben wird.

Denken Sie an eine Achterbahn.

• Die falsche Hoffnung: Eine kleine Population könnte einen vorübergehenden Schub erhalten. Vielleicht überleben einige wenige Glückliche, und die Populationsgröße springt für einen Moment nach oben. Es sieht so aus, als würden sie gewinnen! Aber weil sie mit zu wenig genetischer Vielfalt gestartet sind, ist dieser Schub nur ein kurzes Aufbitten. Sie werden schließlich die Puste verlieren, die genetische Vielfalt wird kollabieren und sie werden abstürzen.
• Der falsche Alarm: Umgekehrt könnte eine Population einen schweren Schlag erleiden, in der Zahl sinken und so aussehen, als stünde sie kurz vor dem Aussterben. Aber wenn sie mit genügend genetischer Vielfalt gestartet sind, können sie sich erholen, sich anpassen und schließlich ihren Rhythmus auf dem Laufband finden.

Die Simulationen der Autoren zeigen, dass ein vorübergehender Anstieg der Populationsgröße oder der genetischen Variation keine Garantie für das Überleben ist. Man muss den „Ausgangszustand“ der Population kennen, um zu wissen, ob dieser vorübergehende Anstieg ein Zeichen von Leben oder ein letztes Aufbäumen ist.

Warum das im echten Leben wichtig ist

Dies ist nicht nur Mathematik auf einem Bildschirm. Die Autoren legen nahe, dass wir, wenn wir vorhersagen wollen, ob eine Art dem Klimawandel standhalten kann, nicht nur darauf schauen dürfen, wie schnell sich das Klima verändert. Wir müssen auch den aktuellen Zustand der Art betrachten.

Wenn eine Art bereits klein ist oder wenn sie über sehr wenig genetische Vielfalt verfügt (vielleicht weil sie isoliert wurde oder gejagt wurde), könnte sie sich bereits in der „Gefahrenzone“ befinden, selbst wenn sich die Umwelt nur langsam verändert. Sie könnte an einer Klippenkante sitzen und nur auf einen kleinen Stoß warten, um hinunterzufallen. Andererseits könnte eine große, diverse Population eine viel schnellere Änderungsrate bewältigen.

Die Studie untersuchte auch, was passiert, wenn sich die Umwelt zweimal verändert. Stellen Sie sich vor, eine Population kommt gut zurecht, dann verschlechtert sich die Umwelt ein wenig, und dann folgt ein plötzlicher, harter Schock. Die Arbeit legt nahe, dass, wenn die Population bereits mit der langsamen Veränderung zu kämpfen hatte, dieser plötzliche Schock sie über die Kante drücken könnte, selbst wenn der Schock selbst nicht riesig war. Es ist wie ein Gummiband, das bereits straff gespannt ist; ein kleiner zusätzlicher Zug lässt es reißen.

Das Fazrenergebnis

Die wichtigste Erkenntnis der Arbeit von Xu und Shen ist, dass das Überleben nicht nur von der Geschwindigkeit des Sturms abhängt, sondern von der Stärke des Schiffes.

• Die alte Idee: Wenn sich die Umwelt langsamer als eine bestimmte Geschwindigkeit verändert, ist die Population sicher.
• Der neue Befund: Selbst wenn sich die Umwelt langsam verändert, kann eine Population aussterben, wenn sie zu klein startet oder zu wenig genetische Vielfalt besitzt.
• Der Haken: Man kann nicht allein durch das Beobachten für eine kurze Zeit sagen, ob eine Population dem Untergang geweiht ist. Ein vorübergehender Anstieg der Zahlen kann eine Falle sein, und ein vorübergehender Rückgang kann eine Tarnung für eine Erholung sein.

Die Autoren betonen, dass wir, um das Aussterberisiko wirklich zu verstehen, den „ökologisch-evolutionären Zustand“ einer Population kennen müssen – ihre Größe, ihre genetische Gesundheit und wie weit sie hinterherhinkt –, bevor wir ihre Zukunft vorhersagen können. Es ist eine Erinnerung daran, dass in dem Rennen gegen eine sich verändernde Welt der Ausgang genauso wichtig ist wie die Geschwindigkeit, mit der sich die Ziellinie bewegt.