Wenn Sie sie nicht schlagen können, integrieren Sie sie einfach? Wie koexistieren invasive und einheimische Pflanzen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Le Haichuan, Xie Zongqiang (Institut für Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

In „Die Entstehung der Arten“ stellte Darwin neben der berühmten Evolutionstheorie auch die Theorie der Einbürgerung fremder Arten auf, die späteren Ökologen Kopfzerbrechen bereitete.

Einerseits glaubte Darwin, dass eingeführte Arten, die eng mit einheimischen Arten verwandt sind, sich leichter an neue Umgebungen anpassen würden, da sie ähnliche ökologische Bedürfnisse hätten. Es ist wie bei uns Menschen: Wenn wir an einen Ort mit ähnlichem Klima und ähnlichen Umweltbedingungen wie in unserer Heimatstadt gehen, fällt uns die Anpassung leichter. Dieses Phänomen wird als „Präkonditionierungshypothese“ bezeichnet.

Andererseits glaubte Darwin auch, dass fremde Arten, die entfernt mit einheimischen Arten verwandt waren, eher erfolgreich eindringen und einen eigenen „Lebensraum“ finden würden. Wenn sich fremde Arten zu nahe an einheimischen Arten aufhalten, kommt es zu heftiger Konkurrenz zwischen ihnen, ähnlich wie bei zwei Brüdern, die sich um ein Spielzeug streiten. Wenn die fremden Arten jedoch nicht mit den einheimischen Arten vertraut sind, können sie dieser Konkurrenz aus dem Weg gehen. Diese Ansicht wird als „Darwin-Naturalisierungshypothese“ bezeichnet, und die beiden scheinbar widersprüchlichen Hypothesen, die er vorschlug, bilden das „Darwin-Naturalisierungsrätsel“.

Einige Wissenschaftler haben Belege für die Annahme, dass „Fremde eher Erfolg haben“. An Orten wie den Azoren in Südafrika und dem Colorado River in den USA haben Wissenschaftler herausgefunden, dass es für einheimische Arten umso einfacher ist, erfolgreich einzudringen, je entfernter ihre Verwandtschaft zu der anderer Arten ist.

Schematische Darstellung des Darwinschen Naturalisierungsrätsels: Rot steht für die Präadaptationshypothese und Blau für die Darwinsche Naturalisierungshypothese.

(Bildquelle: Referenz 2)

Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern hat Belege dafür, dass „Verwandte eher Erfolg haben“. In Studien in Kalifornien, Neuseeland und im Mittelmeerraum stellten sie fest, dass gebietsfremde Arten, die eng mit einheimischen Arten verwandt sind, eher erfolgreich eindringen.

Mit fortschreitender Forschung tauchen immer mehr Beweise auf, die die beiden von Darwin vorgeschlagenen Hypothesen stützen oder widerlegen, und die Kontroverse über Darwins Naturalisierungsgeheimnis wird immer heftiger. Um dieses Problem anzugehen, haben Wissenschaftler begonnen, verschiedene mögliche Erklärungen zu untersuchen, wie etwa räumliche Ausmaße, Invasionsstadium, Umweltgradienten und Methoden zur Messung von Unterschieden zwischen Arten, in dem Bemühen, scheinbar widersprüchliche Forschungsergebnisse zu vereinen.

Kleine Bühne, großer Wettkampf; große Bühne, große Vorführung

Im kleinen Maßstab ist der Wettbewerb zwischen Arten ein wichtiger Faktor, der die Invasion fremder Arten beeinflusst. Eng verwandte Arten haben oft ähnliche ökologische Nischen. Die ökologische Nische ist der allgemeine Begriff für die Umwelt, in der eine Art lebt, und ihre Lebensgewohnheiten, einschließlich Faktoren wie Lebensstil, Methoden der Ressourcennutzung und Verhaltensgewohnheiten der Art. Diese Faktoren bestimmen gemeinsam die Position der Art im Ökosystem. Arten mit ähnlichen ökologischen Nischen werden stärker miteinander konkurrieren. Darwins Naturalisierungshypothese wurde im kleinen Maßstab bestätigt.

Wenn wir unseren Fokus jedoch von einem einzelnen Wald auf eine ganze Region oder sogar den Globus ausweiten, wird die Filterfunktion der Umwelt noch wichtiger. Arten, die sich besser an ihre natürliche Umgebung anpassen können, dringen eher erfolgreich ein, was mit der Präadaptionshypothese übereinstimmt.

Es ist wichtig zu beachten, dass Wechselwirkungen zwischen Organismen sowohl im kleinen als auch im großen Maßstab die Invasion fremder Arten beeinflussen. Daher handelt es sich bei der Invasion gebietsfremder Arten um einen komplexen Prozess, der von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird und nicht einfach auf einen einzigen Mechanismus zurückgeführt werden kann.

Nachahmung ist der Weg zum Überleben, Innovation ist die magische Waffe zum Sieg

Die Invasion fremder Arten kann Phasen wie Einführung, Kolonisierung, Einbürgerung und Invasion durchlaufen, und die ökologischen Prozesse, die den Erfolg der Invasion bestimmen, können in jeder Phase unterschiedlich sein. Studien haben gezeigt, dass fremde Arten in der Frühphase einer Invasion dazu neigen, einen Lebensraum zu wählen, der dem der einheimischen Arten ähnelt, um sich möglichst schnell in die Gruppe zu integrieren. Dies weist Merkmale einer Präadaption auf. In den späteren Phasen der Invasion können fremde Arten nach und nach in der neuen Umgebung Fuß fassen und beginnen, nach neuen Entwicklungsmöglichkeiten zu suchen. Um eine intensive Konkurrenz mit einheimischen Arten zu vermeiden, werden sie sich nach und nach in andere ökologische Nischen entwickeln.

Die Forscher fanden heraus, dass in rauen Umgebungen wie Kälte und Dürre Umweltfilter das Zusammenleben der Arten dominieren und sich gegenseitig warm halten, was die Präadaptionshypothese unterstützt. Unter warmen und feuchten Bedingungen führen jedoch reichlich vorhandene Ressourcen und eine große Anzahl von Arten zu einem intensiven Wettbewerb, der das Zusammenleben entfernt verwandter Arten in verschiedenen ökologischen Nischen begünstigt, was mit Darwins Naturalisierungshypothese übereinstimmt.

Wege zur Lösung von Darwins Naturalisierungsrätsel.

(Bildquelle: Referenz 3)

Das Rashomon der Beziehungen und Eigenschaften

Sowohl die Präadaptationshypothese als auch die Darwinsche Naturalisierungshypothese implizieren die Annahme, dass eng verwandte Arten ähnliche Merkmale aufweisen. Allerdings machen Divergenzen zwischen eng verwandten Arten und Konvergenzen zwischen entfernt verwandten Arten diese Annahme weniger zuverlässig. Einfach ausgedrückt gingen Wissenschaftler früher davon aus, dass Verwandte dazu neigen, viele ähnliche Lebensgewohnheiten zu haben.

Die Realität ist jedoch, dass sich manche Verwandte sehr voneinander unterscheiden, genau wie ein Zwillingspärchen: Der eine treibt gern Sport und der andere liest gern, ihre Interessen und Hobbys sind völlig unterschiedlich. Einige Arten, die nicht eng miteinander verwandt sind, sind sich tatsächlich sehr ähnlich, wie beispielsweise Delfine und Fische. Obwohl das eine ein Säugetier und das andere ein Fisch ist, sind ihr Aussehen und ihre Lebensgewohnheiten sehr ähnlich. Sie haben beide stromlinienförmige Körper und leben im Wasser. Eine umfassende Betrachtung der Verwandtschaftsverhältnisse und Merkmalsunterschiede zwischen eingeführten und einheimischen Arten kann uns daher dabei helfen, das Darwinsche Naturalisierungsrätsel besser zu verstehen.

Die Evolution von Merkmalen einer Art kann entweder konservative (links) oder konvergente (rechts) Muster aufweisen.

(Bildquelle: Referenz 4)

Das Überleben des Stärkeren

Allerdings sind vom Menschen verursachte Störungen häufig weiter verbreitet und intensiver als in natürlichen Umgebungen. Dies lässt darauf schließen, dass sich die Entwicklung der Artenzusammensetzung von der unter natürlichen Bedingungen unterscheiden kann. Der Drei-Schluchten-Damm hat das Muster der Wasserstandsänderungen im Jangtse verändert. Im Gegensatz zu den natürlichen Wasserstandsschwankungen in der Vergangenheit verändert sich der Wasserstand im Staudamm heute im Jahresverlauf in umgekehrter Richtung: im Sommer herrscht Niedrigwasser, im Winter Hochwasser. Der Damm führt außerdem dazu, dass die Uferzone des Jangtsekiang jedes Jahr für längere und tiefere Zeiträume überflutet wird. Dadurch wird der Uferboden häufig überflutet und freigelegt, was ihn sehr anfällig für das Eindringen fremder Pflanzen macht.

Unser Team widmet sich der Untersuchung der Auswirkungen groß angelegter Wasserschutzprojekte auf Ökosysteme und die ökologische Wiederherstellung. Durch die Durchführung einer Pflanzengemeinschaftsuntersuchung im Gebiet des Drei-Schluchten-Stausees wurde das Zusammenleben zwischen fremden und einheimischen Pflanzen untersucht.

Luftbild des Wasserspiegelabfalls im Drei-Schluchten-Stausee

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Wir stellten fest, dass einerseits häufige Wasserspiegelschwankungen in der Absenkungszone (der Übergangszone zwischen terrestrischen und aquatischen Ökosystemen) zu einem Rückgang der einheimischen Pflanzenvielfalt führten und die meisten einheimischen Arten sich auf wenige, gut vertretene Familien wie Poaceae und Salicaceae konzentrierten. Durch diese Ansammlung werden in der Gemeinschaft ökologische Nischenvakanzen entstehen, die es entfernt verwandten gebietsfremden Arten ermöglichen, diese Gelegenheit zu nutzen. Dies stützt Darwins Naturalisierungshypothese aus der Perspektive der Verwandtschaft.

Andererseits sind die Funktionen der gebietsfremden Arten in der Absenkungszone denen der einheimischen Arten ähnlich. Sie haben sich an den Stress durch Staunässe angepasst. Einjährige krautige Pflanzen passen sich dieser Umgebung an, indem sie eine große Menge Samen produzieren und auf einen Rückgang des Wasserspiegels warten, damit sie keimen und schnell wachsen können. So schließen sie ihren Lebenszyklus in der kurzen Trockenzeit ab.

Im Gegensatz dazu integrieren mehrjährige Pflanzen Ressourcen durch klonales Wachstum und verbessern ihre Toleranz gegenüber der Umwelt, was die Präadaptionshypothese aus der Perspektive funktioneller Merkmale unterstützt. Gleichzeitig nahm die Ähnlichkeit der Formen der Arten in der Uferzone des Stausees mit der Zeit zu, was darauf hindeutet, dass die ständigen Wasserstandsschwankungen im Drei-Schluchten-Stausee den Wettbewerb zwischen den Arten in der Uferzone des Stausees geschwächt haben könnten.

Schematische Darstellung des Darwin-Einbürgerungsrätsels in der Uferzone des Stausees

(Bildquelle: Referenz 6)

Abschluss

Das Darwin-Puzzle der Naturalisierung zeigt uns, dass die biologische Invasion ein komplexer Prozess ist, der von mehreren Faktoren beeinflusst wird. Der Erfolg der Invasion gebietsfremder Arten hängt nicht nur von ihrer Beziehung zu einheimischen Arten ab, sondern auch von Faktoren wie ihrer ökologischen Anpassungsfähigkeit, den Umweltbedingungen und menschlichen Aktivitäten.

Unsere Forschungsergebnisse liefern eine neue Erklärung für das klassische Darwinsche Naturalisierungsrätsel und betonen, dass periodische Wasserspiegelschwankungen eine wichtige Rolle bei der Ansiedlung invasiver Arten und der Anpassung einheimischer Arten spielen. Dadurch lässt sich besser vorhersagen, welche gebietsfremden Arten eher in die Uferzonen von Stauseen eindringen und welche aus einheimischen Arten bestehenden Gemeinschaften eher von einer Invasion betroffen sind. Auf diese Weise wird die Artenvielfalt in den Uferzonen geschützt und die Bedrohung durch invasive gebietsfremde Arten verringert.

Verweise

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